Ay

Ay, insanların üzerine iniş yaparak yürüdükleri gök cismidir. Yer çekiminden kurtulup uzaya çıkan ve Ay'ın yakınından geçen ilk yapay nesne Sovyetler Birliği'nin Luna 1 uydusudur. Ay yüzeyine çarpan ilk insan yapısı nesne Luna 2 uydusudur. Normalde görünmeyen Ay'ın öteki yüzünün ilk fotoğraflarını ise Luna 3 uydusu çekmiştir. Bu üç uydu da 1959 yılında uzaya fırlatılmıştır. Ay yüzeyine ilk yumuşak iniş yapabilen uzay aracı Luna 9 ve Ay yörüngesine giren ilk insansız uzay aracı da Luna 10'dur. Bu iki uydu da 1966'da uzaya fırlatılmıştır. ABD'nin Apollo programı 1969 ve 1972 yılları arasında altı başarılı inişle, günümüze kadar insanlı görevleri başaran tek uzay programıdır. Ay'ın doğrudan insanlar tarafından incelenmesine Apollo programının bitişiyle son verilmiştir.

En yaygın olarak kabul edilen köken açıklaması, Ay'ın 4,51 milyar yıl önce, (Dünya'dan kısa bir süre sonra) Dünya ile Theia adlı Mars büyüklüğündeki varsayımsal bir cisim arasındaki dev çarpışma enkazından oluştuğunu ileri sürer. Sonrasında Dünya ile gelgit etkileşimi nedeniyle daha uzak bir yörüngeye çekildi. Ay'ın yakın tarafı parlak ve eski kabuksal yüksek dağlar ile, göze çarpan darbe kraterileri arasındaki boşlukları dolduran koyu volkanik maria "karanlık denizler" ile dikkat çekicidir. Büyük çarpışma havzaları ve karanlık yüzeylerinin mare çoğu yaklaşık üç milyar yıl önce Imbrian döneminin sonuna kadar yerindeydi. Ay yüzeyi nispeten yansıtıcı değildir, yansıma derecesi aşınmış asfaltdan biraz daha parlaktır. Ancak, açısal çapı büyük olduğu için dolunayda gece gökteki en parlak gök cismi olur. Ay'ın görünen boyutu Güneş'inkiyle hemen hemen aynıdır, bu ise tam güneş tutulması esnasında Güneş'i neredeyse tamamen kaplamasına neden olur, Aya ilk ayak basan insan Neil Armstrong'dur.

Etimoloji

Türk Dil Kurumu kelimenin Türkçe olduğunu söyler. Büyük harfle yazıldığını belirtir.

Ay'ın iki yüzü

Ay, Dünya'nın yörüngesinde eş zamanlı olarak hareket eder, yani her zaman aynı yüzü Dünya'ya dönüktür. Ay'ın oluşumunun başlarında dönüşü yavaşladı ve Dünya'nın kütlesi nedeniyle oluşan gelgit deformasyonlarına bağlı sürtünme etkilerinin sonucu olarak günümüzdeki konumunda kilitlendi.

Çok uzun zaman önceleri Ay daha hızlı dönerken, gelgit tümseği Dünya-Ay hattının önünde dönüyordu. Çünkü gelgit tümsekleri yeteri kadar hızlı olarak Dünya ile aynı hatta gelemiyordu. Bu hattın dışına çıkan tümsek nedeniyle oluşan tork Ay'ın dönüşünü yavaşlattı. Ay'ın dönüşü yörünge hızına denk gelecek kadar yavaşladığında gelgit tümseği Dünya'nın tam karşısına geldi ve bu nedenle tork ortadan kayboldu. İşte bu nedenden ötürü Ay, Dünya yörüngesinde döndüğü hızla kendi çevresinde de döner ve Dünya'dan her zaman Ay'ın aynı yüzü görünür.

Ay'ın göründüğü açının küçük değişimleri (Ay sallantısı) nedeniyle Ay yüzeyinin %59'u görünür.

Ay'ın Dünya'ya karşı olan yüzünden Ay'ın görünen yüzü, diğer tarafına da Ay'ın öteki yüzü denir. Öteki yüz Ay'ın karanlık yüzü ile karıştırılmamalıdır. Ay'ın karanlık yüzü herhangi bir anda Güneş tarafından aydınlatılmayan yarıküresidir. Ayda bir kere bu yüz yeniay safhasına Ay'ın görünen yüzü olur. Ay'ın öteki yüzü ilk olarak 1959'da Sovyet uzay sondası Luna 3 tarafından fotoğraflandı. Ay'ın öteki yüzünün ayırt edici özelliklerinden biri Ay denizi (Latince: (mare, çoğulu maria) adı verilen düzlüklerin hemen hemen hiç olmamasıdır.

Ay denizleri

Çıplak gözle rahatlıkla görünebilen Ay yüzeyinde bulunan karanlık Ay düzlüklerine Ay denizi denir. Çünkü antik dönem gök bilimcileri bunların suyla dolu olduklarını zannediyordu. Günümüzde bunların katılaşmış bazalt olduğu bilinmektedir. Bazaltı oluşturan lav, Ay yüzüne göktaşları ve kuyruklu yıldızların çarpması sonucu oluşan krater düzlüklerini doldurmuş ve katılaşarak bu bazaltı oluşturmuştur (Oceanus Procellarum krater düzlüğü değildir ve bu kurala önemli bir istisna oluşturur.) Ay denizleri hemen hemen yalnızca Ay'ın görünen yüzünde bulunur. Ay'ın öteki yüzünün yalnızca %2'sinde birkaç dağılmış küçük düzlük bulunur. Ayın görünen yüzündeyse bu oran %31'dir. Bu farklılığın en akla yatkın açıklaması, Lunar Prospector uzay sondasının gamma ışını spektrometresi ile elde edilen jeokimyasal haritalarda gösterildiği üzere Ay'ın görünen yüzünde ısı üreten elementlerin daha yüksek konsantrasyonda bulunmasıdır. Kalkan tipi yanardağlar ve kubbemsi dağlar görünen yüz üzerindeki Ay denizlerinde rastlanan özelliklerdir.

Ay dağları

Ay yüzeyinde görünen açık renkli bölgelere Ay dağları (Latince: terrae (çoğul), terra (tekil)) denir; çünkü Ay denizlerinden daha yüksektirler. Ay'ın görünen yüzünde, içleri bazalt ile dolu olan kraterlerin çevresinde birçok dağ sırasına rastlanır. Bunların kraterlerin çevrelerinde oluşan yükseltilerin kalıntıları olduğu düşünülmektedir. Dünya'da karşılaşılan oluşumun aksine, başlıca Ay dağlarının hiçbirinin tektonik etkinlikler sonucu oluşmadığına inanılmaktadır.

1994 yılında gerçekleştirilen Clementine görevinden alınan görsellerde Ay'ın kuzey kutbunda bulunan 73 km genişliğindeki Peary kraterinin çevresindeki dört dağlık bölgenin tüm Ay günü boyunca günışığı aldığı görülmüştür. Günışığının sürekli aydınlatığı bu bölgeler, Ay'ın tutulum düzlemine olan oldukça küçük eksenel eğikliği nedeniyle mümkündür. Güney kutbunda benzer bölgelere rastlanmamıştır; ancak Shackleton krateri Ay gününün %80'i boyunca gün ışığı altındadır. Ay'ın küçük eksenel eğikliğinin bir başka sonucu da kutup bölgesinde kraterlerin dibinde sürekli gölgede kalan bölgeler olmasıdır.

Kraterler

Ay'ın yüzeyinde gök cisimlerinin çarpması sonucu oluşan birçok krater bulunur. Çapı 1 km'den büyük yaklaşık yarım milyon krater Ay yüzeyine göktaşlarının ve kuyruklu yıldızların çarpması sonucu oluşmuştur. Kraterler hemen hemen sabit bir oranla oluştuğu için birim alanda bulunan krater sayısı yüzeyin yaşını tahmin etmek için kullanılabilir. Atmosferin, hava olaylarının ve yakın geçmişte jeolojik etkinliklerin olmaması sayesinde bu kraterler, Dünya'dakilerin aksine oldukça iyi korunmuştur.

Ay yüzeyinin ve Güneş Sistemi'nin bilinen en büyük krateri Güney Kutbu - Aitken düzlüğüdür. Bu çarpma havzası Ay'ın öteki yüzünde Güney Kutbu ile ekvator arasında yer alır; 2240 km çapında ve 13 km derinliğindedir. Ay'ın görünen yüzünde başlıca kraterler Mare Imbrium, Mare Serenitatis, Mare Crisium ve Mare Nectaris'tir.

Regolit

Aykabuğunun üzerinde regolit adı verilen taş ve tozdan oluşan bir tabaka bulunur. Yüzeye çarpan gök cisimleri nedeniyle oluşan regolit eski yüzeylerde yeni yüzeylere nazaran daha kalındır. Özel olarak regolitin kalınlığının denizlerde 3-5 metre, daha eski yayla bölgelerinde ise 10-20 metre arasında değiştiği tahmin edilmektedir. Çok ince toz hâlinde bulunan regolit tabakasının altında onlarca kilometre kalınlığında oldukça parçalanmış kayalardan oluşan megaregolit tabakası bulunur.

Su varlığı

Ay yüzeyine sürekli çarpan göktaşları ve kuyrukluyıldızlar nedeniyle küçük miktarlarda su büyük olasılıkla yüzeye eklenmiştir. Bu durumda günışığı suyu elementlerine yani hidrojen ve oksijen ayıracak, bunlar da Ay'ın zayıf kütleçekimi nedeniyle zamanla yüzeyden kaçacaktır. Ancak Ay'ın dönme ekseninin tutulum düzlemine yalnızca 1,5° gibi çok küçük bir eğiklik yapması nedeniyle kutuplar yakınında bulunan bazı derin kraterler hiçbir zaman doğrudan günışığı almadığından ve sürekli gölgede kaldığından buraya düşen su molekülleri uzun zaman süreleri boyunca kararlılığını koruyacak.

Clementine görevi güney kutbunda gölgede kalmış böyle kraterleri haritalandırdı, ve bilgisayar simülasyonları yaklaşık 14.000 km² kadar bir bölgenin sürekli gölgede kaldığını göstermektedir. Clementine görevinin bistatik radar deneyi küçük donmuş su ceplerine işaret eder ve Lunar Prospector görevinden gelen bilgiler kutup bölgeleri yakınlarında regolitin üst bölümlerinde aşırı derecede yüksek hidrojen konsantrasyonlarını gösterir. Toplam su buzu miktarının bir kilometre küp olduğu tahmin edilmektedir.

Su buzu kazılarak toplanabilir ve nükleer jeneratörler ya da güneş panelleriyle donatılmış elektrik santralleri tarafından hidrojen ve oksijene ayrılabilir. Ay üzerinde kullanılabilecek miktarda su bulunması, Ay'ı yaşanılabilir kılmak için önemlidir çünkü Dünya'dan su taşımak mümkün olamayacak kadar pahalı olacaktır. Ancak son zamanlarda Arecibo gezegen radarı ile yapılan gözlemler, Clementine radarının su buzu bulunduğuna dair işaret ettiği bilgilerin aslında görece yeni kraterlerin oluşumunda fırlayan kayaların sonucu olabileceğini göstermiştir. Ay üzerinde ne kadar su bulunduğu sorusunun cevabı henüz bilinmemektedir.

Fiziksel özellikler

Ay'ın şekli, gelgit gerilmesi nedeniyle hafif elipsoittir. Çarpma havzalarından kaynaklı kütleçekim anomalileriden dolayı, bu elipsoit şeklin uzun ekseni Dünya'ya göre 30° kaymıştır. Şekli, mevcut çekim kuvvetleri hesaba katıldığında daha uzundur. Bu 'fosil şişkinlik', Ay'ın Dünya'ya olan mevcut mesafesinin yarısındaki bir yörüngede dönerken katılaştığını ve artık şeklinin yörüngesine uyum sağlayamayacak kadar soğumuş olduğunu gösterir.

Boyut ve kütle

Ay, büyüklük ve kütle bakımından Güneş Sistemi'nin beşinci en büyük doğal uydusudur ve gezegen kütleli uydulardan biri olarak kategorize edilebilir. Bu durum Ay'ı, jeofiziksel tanımlara göre bir uydu gezegen yapar. Merkür'den daha küçük ve Güneş Sistemi'nin en büyük cüce gezegeni olan Plüton'dan daha büyüktür. Plüton-Charon sistemi’nin küçük-gezegen uydusu olan Charon, Plüton'a göre daha büyük olsa da, Ay, ana gezegenlerine görece olarak Güneş Sistemi'nin en büyük doğal uydusudur.

Ay'ın çapı yaklaşık 3.500 km olup, Dünya'nın dörtte birinden fazladır ve Ay'ın yüzü Avustralya'nın büyüklüğü ile kıyaslanabilir. Ay'ın tüm yüzey alanı yaklaşık 38 milyon kilometre karedir ve Amerika kıtasının (Kuzey ve Güney Amerika) alanından biraz daha azdır.

Ay'ın kütlesi Dünya'nın 1/81'idir. Gezegen uyduları arasında ikinci en yoğun olanıdır ve 0,1654 g ile Io'dan sonra ikinci en yüksek yüzey kütle çekimine ve 2,38 km/s'lik bir kurtulma hızına sahiptir.

İç yapı

Ay, kabuk, manto ve çekirdek gibi jeokimyasal olarak ayrımlanabilen katmanlardan oluşur. Bu yapının yaklaşık 4,5 milyar yıl önce, Ay'ın oluşumundan hemen sonra magma okyanusunun kademeli olarak kristalleşmesiyle meydana geldiğine inanılmaktadır. Ay'ın dış yüzeyini eritmek için gerekli olan enerjinin Dünya ve Ay sistemini oluşturduğu öne sürülen dev çarpma ile elde edildiği düşünülmektedir. Bu magma okyanusunun kristalleşmesi sonucu mafik manto ve plajiyoklâz zengini kabuk ortaya çıkmış olabilir.

Yörüngeden yapılan jeokimyasal haritalama ay kabuğunun magma okyanusu varsayımı ile uyumlu bir şekilde oldukça anortositik bir yapıda olduğunu gösterir. Aykabuğu başlıca oksijen, silikon, magnezyum, demir, kalsiyum ve alüminyum elementlerinden oluşmuştur. Jeofiziksel tekniklere dayanılarak ay kabuğunun kalınlığının ortalama 50 km civarında olduğu tahmin edilmektedir.

Ay'ın mantosunda oluşan kısmi erime Ay denizlerinde bulunan bazaltların yüzeye püskürmesine neden oldu. Bu bazaltların analizi mantonun olivin, ortopiroksen ve klinopiroksen minerallerinden oluştuğunu ve Ay mantosunun Dünya mantosundan demir açısından daha zengin olduğunu gösterir. Bazı Ay bazaltlarında ilmenit minerali içinde karşılaşılan yüksek oranda titanyum içeriği mantonun bileşiminin oldukça yüksek oranda heterojen olduğunu gösterir. Ay yüzeyinden yaklaşık 1.000 km derinde, mantoda Ay sarsıntıları olduğu bulunmuştur. Aylık periyotlarla oluşan bu sarsıntılar Ay'ın Dünya çevresinde dış merkezli yörüngede dönmesi nedeniyle oluşan gelgit streslerine bağlanmıştır.

Ay 3.346,4 kg/m³'lik ortalama yoğunluğuyla, Güneş Sistemi'nin İo'dan sonra ikinci yoğun doğal uydusudur. Ancak bazı kanıtlar Ay çekirdeğinin yaklaşık 350 km'lik yarıçapıyla oldukça küçük olduğuna işaret eder. Bu büyüklük Ay'ın yalnızca %20'sine denk gelir, halbuki birçok gök cisminde çekirdeğin oranı %50 civarındadır. Ay çekirdeğinin bileşimi tam olarak saptanamamıştır, ama az bir miktarda kükürt ve nikel alaşımlı metalik demirden oluştuğu sanılmaktadır. Ay'ın zamanla değişkenlik gösteren dönüşünün analizi çekirdeğin en azından kısmen erimiş olduğunu gösterir.

Topoğrafya

Ay'ın topoğrafyası özellikle yakın zamanda yapılan Clementine görevinin sağladığı, lazer altimetri ve stereo görüntü analizi yöntemleriyle elde edilen data sayesinde ölçülmüştür. En çok görünen topoğrafik özellik öteki yüzde bulunan ve Ay'ın en alçak noktalarını barındıran Güney Kutbu - Aitken düzlüğüdür. En yüksek noktalar bu düzlüğün hemen kuzeydoğusunda bulunur. Buranın Güney Kutbu - Aitken düzlüğünün oluşumuna neden olan gök cismi çarpması sonucunda yer değiştirmiş kalın katmanlar nedeniyle oluştuğu önerilmiştir. Diğer büyük kraterler Mare Imbrium, Mare Serenitatis, Mare Crisium, Mare Smythii ve Mare Orientale 'de de oldukça alçak noktalar ve çevrelerinde yüksek noktalar bulunur. Ay şeklinin dikkat çekici bir noktası da ortalama yüksekliklerin öteki yüzde, görünen yüze göre 1,9 km daha yüksek olmasıdır.

Kütleçekim alanı

Ay'ın kütleçekim alanı, yörüngedeki uzay araçlarının yaydığı radyo dalgalarının izlenmesi sonucu belirlenmiştir. Kullanılan prensip Doppler Etkisi'ne bağlıdır. Uzay aracının bakış açısı yönündeki ivmesi radyo dalgalarının yönünü azar azar değiştirerek ve uzay aracından Dünya üzerindeki sabit bir noktaya olan uzaklığı kullanarak belirlenir. Ancak Ay'ın eş zamanlı dönmesi nedeniyle, uzay aracı öte taraftayken izlenemediğinden ötürü, öteki tarafın kütleçekimi alanı çok iyi belirlenememiştir.

Ay'ın kütleçekim alanının en önemli özelliklerinden birisi dev krater düzlükleri ile bağlantılı olan geniş pozitif kütleçekimsel anomalilerin varlığıdır. Bu anomaliler uzay araçlarının yörüngesini önemli ölçüde etkiler bu nedenle insanlı ya da insansız uçuşların planlanmasında Ay'ın doğru kütleçekimsel modeli gereklidir. Kütleçekimsel yoğunluğun olduğu bölgelerin nedeni kısmen, krater düzlüklerini dolduran yoğun bazaltı oluşturan lava akışının varlığına bağlıdır. Ancak bu lava akışları tek başına kütleçekimsel izin tamamını açıklayamaz, aykabuğu ile manto arasındaki etkileşime de gerek vardır. Lunar Prospector 'un kütleçekimsel modellemeleri bazaltik volkanların etkisi nedeniyle oluşmadığı sanılan bazı kütleçekimsel yoğunlukların varlığını gösterir. Oceanus Procellarumda devasa volkan kaynaklı bazaltlar bulunmasına rağmen kütleçekimsel anomali gözlemlenmemektedir.

Manyetik alanı

Ay'ın dış manyetik alanı bir ile yüz nanotesla arasındadır yani 30-60 mikrotesla büyüklüğündeki Dünya'nın manyetik alanından yüz kat daha küçüktür. Diğer önemli farklılıklar çekirdeğindeki jeodinamo tarafından üretilmiş bir dipolar manyetik alanı yoktur ve var olan manyetik alanların kaynağı tamamen aykabuğudur. Bir varsayıma göre aykabuğundaki manyetikleşmelerin Ay daha gençken ve çekirdeğinde bir jeodinamo bulunurken oluştuğudur. Ancak Ay çekirdeğinin küçüklüğü bu varsayımın doğruluğu karşısında bir engel oluşturmaktadır. Alternatif varsayımlar arasında, Ay gibi havası olmayan gök cisimlerinde süreksiz manyetik alanlar büyük gök cisimlerinin çarpması bulunur. Bu varsayımı destekleyecek şekilde en geniş aykabuğu manyetikleşmelerinin dev kraterlerin tam karşısında Ay yüzeyinde gerçekleştiğinin farkına varılmasıdır. Böyle bir fenomenin çarpışma sonucu oluşan plazma bulutunun ortamda bir manyetik alan bulunurken serbest olarak yayılmasından kaynaklanabileceği önerilmiştir.

Ay'ın atmosferi

Ay'ın toplam kütlesi 10 tondan az olan, neredeyse vakum sayılabilecek kadar ince bir atmosferi vardır. Bu küçük kütleli atmosferin yüzeydeki basıncı 3 × 10⁻¹⁵ atm (0,3 nPa) civarındadır ve Ay günü içerisinde değişiklik gösterir. Atmosferinin kaynaklarından biri aykabuğunda ve mantoda oluşan radyoaktivite sonucu ortaya çıkan radon gibi gazların salınımıdır. Diğer önemli bir kaynak ise mikrogöktaşları, güneş rüzgârı iyonları, elektronlar ve günışığının bombardımanı sonucu oluşan püskürtüm süreciyle gerçekleşir. Püskürtüm yoluyla salınan gazlar ya tekrar regolit içinde hapsolur ya da güneş radyasyon basıncı veya iyonize olmuşlarsa güneş rüzgârının manyetik alanı nedeniyle uzaya kaçar. Dünya üzerinden yapılan spektroskopik yöntemlerle sodyum (Na) ve potasyum (K) gibi elementlerin varlığı tespit edilmiştir. Radon-222 (²²²Rn) ve polonyum-210 (²¹⁰Po) gibi elementler ise Lunar Prospector'un alfa parçacık spektrometresi ile tespit edilmiştir. Argon–40 (⁴⁰Ar), helyum-4 (⁴He), oksijen (O₂) ve/veya metan (CH₄), nitrojen (N₂) ve/veya karbon monoksit (CO) ve karbon dioksit (CO₂) Apollo astronotları tarafından yerleştirilen detektörler tarafından tespit edilmiştir.

Toz

Ay'ın etrafında kuyruklu yıldızlardan gelen küçük parçacıklardan oluşan kalıcı bir asimetrik Ay tozu bulutu vardır. Tahminlere göre her 24 saatte 5 ton kuyruklu yıldız parçacığı Ay yüzeyine düşmektedir. Ay'ın yüzeyine çarpan parçacıklar, Ay yüzeyindeki Ay tozunu yukarı yönde püskürtmektedir. Püsküren toz, Ay'ın atmosferinde yaklaşık 5 dakika yükselip 5 dakika düşerek toplam 10 dakika kadar kalmaktadır. Ortalama olarak, Ayın üzerinde yüzeyin 100 kilometre yukarısına dek çıkan irtifalarda 120 kilo kadar toz bulunur. Toz ölçümleri, altı aylık bir sürede LADEE'nin Lunar Dust Experiment (LDEX) tarafından yüzeye 20 ila 100 kilometre yukarıda yapılmıştır. LDEX, her dakikada ortalama bir adet 0,3 mikrometre boyutunda Ay tozu partikülü tespit etmiştir. Deneylerde ölçülen toz parçacıkları, Dünya ve Ay'ın kuyruklu yıldız enkazlarından geçtiği İkizler, Quadrantid, Kuzey Taurid ve Omicron Centaurid meteor yağmurları esnasında en yüksek seviyeye çıkmıştır. Toz bulutu asimetrik dağılımdadır, Ay'ın gün ışığı alan ve almayan kısımları arasındaki aydınlanma çemberinin yakınında daha yoğundur.

Geçmişteki kalın atmosfer

Ekim 2017'de, Houston'daki Marshall Uzay Uçuş Merkezi ve Ay ve Gezegen Enstitüsü'ndeki (İngilizce: Lunar and Planetary Institute) NASA biliminsanları, Apollo Projesi tarafından toplanan Ay magma örneklerinin çalışmalarına dayanarak Ay'ın 3 ile 4 milyar yıl önce 70 milyon yıllık bir dönem boyunca nispeten kalın bir atmosfere sahip olduğunu tespit eden bulgular açıkladılar. Ay'daki volkanik püskürmelerinden çıkan gazlardan kaynaklanan bu atmosfer, bugünkü Mars atmosferinden iki kat daha kalındı. Eski Ay atmosferi daha sonra güneş rüzgarları ile uzaya dağıldı.

Yüzey sıcaklığı

Ay günü boyunca yüzey sıcaklığı ortalama 107 °C, Ay gecesi boyunca da ortalama -153 °C civarındadır.

Oluşumu

Ay'ın oluşumunu açıklayan çeşitli varsayımlar önerilmiştir. Ay'ın Güneş Sistemi'nin oluşumundan 30-50 milyon yıl sonra, günümüzden 4,527 ± 0,010 milyar yıl önce oluştuğuna inanılmaktadır.

• Bölünme kuramı - Ay'ın oluşumu hakkında ilk düşünceler Ay'ın merkezkaç kuvvetler nedeniyle yerkabuğundan koparak ayrıldığı ve gerisinde Büyük Okyanus çukurunu bıraktığını önermiştir. Bu bölünme kavramı Dünya'nın başlangıç dönüşünün çok büyük olmasını gerektirir. Ayrıca bu bölünme sonucu oluşan yörünge Dünya'nın ekvator düzlemini izlemek durumunda olacaktı ama böyle değildir.
• Yakalama kuramı - Diğerleri Ay'ın başka bir yerde oluştuğunu ve Dünya'nın yörüngesine yakalanarak girdiğini düşünmüşlerdir. Ancak bu yakalamanın gerçekleşebilmesi için gerekli olan koşulların, örneğin enerjiyi sönümleyebilmek için Dünya'nın geniş bir atmosferinin olması gibi, oluşması mümkün değildi.
• Birlikte oluşum kuramı - Birlikte oluşum varsayımı Dünya ile Ay'ın gezegen öncesi buluttan aynı zamanda ve yerde birlikte oluştuklarını önerir. Bu varsayımı göre Ay, Dünya'nın oluştuğu maddelerin çevresindeki maddelerden oluştuğu düşünülür. Bazıları bu varsayımın Ay üzerinde metalik demirin azlığını açıklayamadığı için doğru olmadığını belirtmiştir.

Bu varsayımların önemli bir açığı Dünya ve Ay sisteminin yüksek açısal momentumunu kolayca açıklayamamalarıdır.

• Dev çarpma kuramı - Günümüzde, Dünya ve Ay sisteminin oluşumunu dev çarpma kuramının açıkladığı bilim çevrelerince geniş kabul görmüştür. Bu varsayıma göre Dünya'nın oluşumundan önce, Mars büyüklüğünde bir gök cisminin çarparak Dünya yörüngesine Ay'ı oluşturacak kadar yeterli miktarda madde saçmış olmasıdır. Gezegenlerin, küçük ya da büyük parçaların birikmesi sonucu oluştuğuna inanıldığı için bunun gibi dev çarpma olaylarının birçok gezegeni etkilediğine inanılmaktadır. Bu çarpmayı simüle eden bilgisayar modelleri hem Dünya ve Ay sisteminin yüksek açısal momentumu ve Ay çekirdeğinin küçüklüğünü açıklayabilmektedir. Bu kuram ile ilgili cevabı bulunmamış sorular arasında Dünya öncesi kütle ile buna çarpan gök cisminin göreceli boyutları ile bunlardan çıkan maddenin ne kadarının Ay'ı oluşturduğudur.

Ay magma okyanusu

Hem dev çarpma olayı sırasında hem de bunu izleyen Dünya'nın yörüngesinde maddenin birikmesinde çok büyük miktarlarda enerji salındığı için Ay'ın önemli bir kısmının başlangıçta erimiş olduğu düşüncesi yaygındır. Ay'ın o sırada erimiş dış yüzeyine Ay magma okyanusu adı verilir ve derinliğinin 500 km ile Ay'ın yarıçapı arasında değiştiği tahmin edilmektedir.

Magma okyanusu soğudukça kısmen kristalleşti ve katmanlara ayrılarak jeokimyasal olarak ayrı olan aykabuğu ve manto oluştu. Manto olivin, klinopiroksen ve ortopiroksen minerallerinin çökelmesi sonucu meydana geldiği düşünülmektedir. Magma okyanusunun dörtte üçünün kristalleşmesi tamamlandıktan sonra düşük yoğunluğu nedeniyle anortit minerali çökelmiş ve yüzeye çıkıp aykabuğunu oluşturmuştur.

Magma okyanusunun kristalleşen son sıvı bölümü Ay kabuğu ile manto arasında sıkışmıştır ve ısı üreten, birbiriyle uyumsuz elementleri kapsar. Bu jeokimyasal bileşiğe potasyum (K), soy toprak elementleri (İngilizce: rare earth elements - REE) ve fosfor (P) simgelerinden oluşan kısaltma KREEP adı verilir ve görünen yüzde Oceanus Procellarum ile Mare Imbrium'un çoğunu kapsayan küçük jeolojik bölgede toplanmış gözükmektedir.

Jeolojik evrimi

Ay'ın magma okyanusu sonrası jeolojik evrimi gök cisimlerinin çarpması ile oluşmuştur. Ay'ın jeolojik dönemleri Nectaris, Imbrium, Orientale gibi büyük kraterlerin oluşumuna neden olan çarpma olaylarına göre ayrılmıştır. Çarpma sonucu oluşan bu yapılar yukarı fırlayan maddenin oluşturduğu çoklu halkaları ile gözlemlenir. Bu halkaların çapı genellikle yüzlerce kilometreden binlerce kilometreye kadar uzanır. Her çoklu halka düzlüğünde bölgesel stratigrafik ufku oluşturan püskürtü katmanları ile bağlantılıdır. Yalnızca birkaç çoklu halka düzlüğü kesin olarak tarihlendirildiyse de stratigrafik katmanlar sayesinde göreceli yaşların tespitinde faydalıdır. Sürekli olarak gök cisimlerinin çarpması sonucunda regolit oluşur.

Ay yüzeyinin oluşumunu etkileyen diğer önemli bir jeolojik süreçi ay denizlerinin oluşumunun temelindeki volkanik etkinliktir. Procellarum KREEP katmanında ısı üreten elementlerin toplanması sonucunda altında kalan mantonun ısınıp sonunda kısmen eridiği düşünülmektedir. Eriyen magmanın bir kısmı yüzeye çıkarak püskürtüldü ve Ay'ın görünen yüzünde bulunan ay denizi bazaltlarını oluşturdu. Ay'ın bu jeolojik bölgesinde bulunan bazaltların çoğu 3,0 - 3,5 milyar yıl önce Imbrian döneminde püskürtüldü. Yine de en eski tarihlenmiş örnekler 4,2 milyar yıla uzanırken en yeni püskürtüler yalnızca 1,2 milyar yıl önce oluşmuştur.

Ay yüzeyinin zamanla değişiklik gösterip göstermediği konusunda bazı anlaşmazlıklar bulunmaktadır. Bazı gözlemciler kraterlerin ortaya çıktığını ya da ortadan kaybolduğunu ya da diğer geçici fenomenlerin oluştuğunu iddia etti. Günümüzde bu iddiaların çoğunun yanılsama olduğu ve farklı ışık koşulları, zayıf astronomik gözlem ya da yetersiz eski çizimler nedeniyle oluştuğu düşünülmektedir. Yine de gaz çıkması gibi fenomenlerin ara sıra oluştuğu ve bunların iddia edilen geçici Ay fenomenlerine sebebiyet vermiş olabileceği bilinmektedir. Geçenlerde, yaklaşık bir milyon yıl önce gazın serbest kalması nedeniyle kabaca 3 km çaplı bir bölgenin yüzey şeklinin değişmiş olabileceği önerilmiştir.

Ay taşları

Ay taşları iki ana kategoride incelenir; Ay denizlerinde ve Ay dağlarında bulunan Ay taşları. Ay dağlarında bulunan Ay taşları üç takımdan oluşur: demir anortosit takım, magnezyum takımı ve alkali takımı. Demir anortosit takımı taşlar hemen hemen tamamen anortit mineralden oluşmuştur ve Ay magma okyanusu üzerinde yüzerek toplanan plajiyoklâzdan geldiğine inanılmaktadır. Radyometrik yöntemlerle demir anortositlerin yaklaşık 4,4 milyar yıl önce oluştuğu bulunmuştur.

Magnezyum ve alkali takımı Ay taşları asıl olarak mafik plütonik kayaçlardır. Tipi olarak rastlanan kayaçlar dunit, troktolit, gabbro, alkali anortosit ve nadiren de granittir. Demir anortosit takımı Ay taşlarıyla karşılaştırıldıklarında bu takımın mafik minerallerinde görece daha yüksek Mg/Fe oranları bulunur. Genel olarak bu kayaçlar önceden olmuş dağlık alan aykabuğuna sonradan girmiştir ve yaklaşık 4,4-3,9 milyar yıl önce oluşmuşlardır. Bu Ay taşlarında yüksek oranda KREEP bileşeni bulunur.

Ay denizlerinde hemen hemen yalnızca bazalt bulunur. Dünya bazaltlarına benzese de çok daha fazla demir barındırırlar ve su bazlı değişim ürünleri barındırmazlar. Ayrıca çok miktarda titanyum da içerirler.

Astronotlar yüzeydeki tozun kar gibi hissedildiğini ve yanık barut koktuğunu bildirmiştir. Toz asıl olarak Ay yüzeyine çarpan göktaşları nedeniyle oluşmuş olan silikon dioksit camından (SiO₂) ibarettir. Aynı zamanda kalsiyum ve magnezyum da içerir.

Yörünge

Ay, sabit yıldızlara göre Dünya yörüngesinde her 27,3 günde bir tam tur atar. Ancak Dünya'da kendi yörüngesinde Güneş'in çevresinde döndüğü için Ay'ın evrelerinin dönüşümü için biraz daha uzun bir zaman, 29,5 gün gerekir. Diğer gezegenlerin uydularının aksine Ay Dünya'nın ekvator düzlemi üzerinde değil, tutulum düzlemi yakınlarında yörüngededir. Gezegeninin boyutlarına göre Güneş Sistemi içinde en büyük doğal uydudur. (Charon ile cüce gezegen Plüton'dan daha büyüktür.)

Dünya üzerinde görülen gelgit etkilerinin çoğu Ay'ın kütleçekim alanı nedeniyle oluşmaktadır, Güneş'in etkisi çok azdır. Gelgit etkileri nedeniyle Dünya ile Ay arasındaki ortalama uzaklık her yüzyılda 3,8 m artmaktadır. Açısal momentumun korunumu nedeniyle Ay'ın yarı büyük ekseninin artmasıyla birlikte Dünya'nın dönüşü yüzyılda 0,002 saniye kadar yavaşlamaktadır.

Dünya ve Ay sistemi bazen gezegen-uydu sistemi olarak değil de çifte gezegen sistemi olarak değerlendirilir. Bunun nedeni Ay'ın çevresinde döndüğü gezegene göre oldukça büyük olan boyutlarıdır. Ay'ın çapı Dünya'nın dörtte biri, kütlesi de 1/81'idir. Ancak sistemin orta kütle merkezi yeryüzünün 1.700 km; yani Dünya yarıçapının dörtte biri kadar altında olması nedeniyle bu görüş bazıları tarafından eleştirilmektedir. Ay yüzeyi Dünya'nın onda birinden azdır ve Dünya'nın kara alanının yaklaşık dörtte biri kadardır.

1997'de asteroit 3753 Cruithne'nin Dünya ile bağlantılı olağandışı bir atnalı yörünge üzerinde olduğu bulundu. Ancak gök bilimciler bu asteroidi Dünya'nın ikinci doğal uydusu olarak kabul etmemektedir; çünkü yörüngesi uzun dönemde kararlı değildir. Daha sonra Cruithne ile benzer yörüngede bulunan Dünya'ya yakın üç asteroit daha bulunmuştur: (54509) 2000 PH5, (85770) 1998 UP1 ve 2002 AA29.