Луна же является единственным спутником Земли, а масса и размеры его так велики, что астрономы вполне обоснованно могут говорить о так называемой двойной планете Земля — Луна. Луна все лишь в 81,3 раза легче Земли, объем ее в 49 раз, а диаметр только в 4 раза меньше соответствующих характеристик Земли. В связи с этим, обладая в 6 раз меньшим притяжением, чем Земля, Луна не в состоянии удержать около себя атмосферную оболочку и соответственно водяные пары.

Совершенно новый этап в изучении Луны наступил в середине XX столетия, когда на помощь астрономам пришла новая наука — радиолокация. Первый опыт радиолокации Луны был проведен в 1946 году. С тех пор радиолокационные исследования спутника Земли неоднократно проводились учеными разных стран. Астрономы с помощью радиолокации измерили отражающие свойства поверхности Луны, уточнили ее характеристики — массу и среднюю плотность, расстояние до Земли.

После этого станция вышла из сферы действия земного тяготения и переместилась на гелиоцентрическую орбиту с перигелием 146,4 миллиона километров и с афелием 197,2 миллионов километров, став первым в мире искусственным спутником Солнца или, если говорить более образно, искусственной планетой Солнечной системы. В мировой печати станция «Луна-1» получила название «Мечта».

Автоматическая станция «Луна-1»　

Полет первого «лунника» (так в конструкторском бюро С. П. Королева называли станцию «Луна-1») явился началом первого этапа космических исследований Луны. Этот полет преследовал прежде всего технические цели, а именное, отработку старта новой ракеты-носителя; исследование процесса терморегулирования в контейнере; испытание систем управления ракетой, энергопитания, радиоконтроля траектории полета и т. п.

Станция «Луна-1» позволила ученым значительно продвинуться в исследований межпланетной космической среды. В результате полета, в частности, было установлено существование радиационного пояса Земли, отсутствие существенного магнитного поля Луны и впервые зарегистрировано сильные потоки ионизированной плазмы, излучаемые Солнцем и образно названные впоследствии «солнечным ветром».

Изучение ближайшего к Земле небесного тела с борта космического аппарата было продолжено во время полета советской автоматической станции «Луна-3». 4 октября 1959 года она была выведена космической ракетой на эллиптическую орбиту искусственного спутника Земли, оттуда стартовала к Луне, пролетела на расстоянии 6200 километров от ее поверхности и 7 октября сфотографировала ее обратную сторону в двух масштабах. Полученные изображения после проявления пленки на борту станции с помощью фототелевизионной системы были переданы на Землю. Затем, совершив 11 оборотов вокруг Земли, станция «Луна-3» вошла в плотные слои земной атмосферы и прекратила свое существование.

Академик Сергей Павлович Королев (1906–1966) — главный конструктор первых ракетно-космических систем　

Исследования Луны с пролетной траектории были продолжены в США с помощью космических аппаратов типа «Пионер», которые предназначались для вывода научной аппаратуры из сферы гравитационного действия и поддержания радиосвязи на больших расстояниях. Всего было запущено девять космических аппаратов данного типа. Только два из них, «Пионер-2» (март 1959 год) и «Пионер-5» (март 1960 года), сумели оторваться от нашей планеты и выйти на гелиоцентрические орбиты. Запуски остальных аппаратов из-за различных неполадок в ракетах-носителях оказались неудачными.

Пролеты возле Луны осуществляли также американские космические аппараты «Рейнджер-3» (январь 1962 года) и «Рейнджер-5» (октябрь 1962 года), а также советские автоматические станции «Луна-4» (апрель 1963 года) и «Луна-6» (июнь 1965 года). Завершающим научным экспериментом этого этапа исследований Луны можно считать полет советской автоматической станции «Зонд-3», которая была запущена 18 июля 1965 года, а уже 20 июля она сфотографировала обратную сторону Луны с расстояния 11 570— 9960 километров.

Полеты автоматических станций «Луна-3» и «Зонд-3» решили важнейшую задачу первоначального глобального обзора естественного спутника Земли. На основе полученных снимков Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга (ГАИШ) совместно с рядом других организаций выпустил «Атлас обратной стороны Луны» (первая часть вышла в 1960 году, а вторая — в 1967 году) с каталогом, содержащим около четырех тысяч впервые обнаруженных лунных образований. Во второй половине 1960-х годов ГАИШ И Топогеодезической службой СССР были составлены и опубликованы первые в мире полная карта и полный глобус Луны, а в 1968 году был издан атлас из семи карт экваториальной зоны ее видимого полушария.

На фотографиях, полученных со станций «Луна-3» и «Зонд-3», видно, что обратная сторона Луны светлая и гористая, здесь мало темных пятен — «морей», характерных для полушария обращенного к Земле. Удалось выявить на ней и особые крупномасштабные впадины овальной формы, по своей площади сравнимые с лунными морями. Советские ученые предложили назвать их талассоидами, то есть мореподобными. Диаметр отдельных талассоидов достигает 500 километров, однако их дно не имеет характерной для лунных морей темной окраски и усеяно множеством кратеров. На фотоснимках запечатлен еще один тип формаций, не встречающихся на видимой стороне Луны, — многочисленные цепочки кратеров протяженностью до 600 и более километров.

Анализ информации, полученной «Луной-3» и «Зондом-3», позволил сделать вывод об асимметрии распределения крупнейших образований на лунной поверхности. Так, если на видимом полушарии Луны около 40 процентов поверхности занимают «моря», то на обратной стороне на их долю приходится только немногим более 10 процентов поверхности.

Автоматическая станция «Луна-3»　

Второй этап космических исследований Луны был связан со станцией «Луна-2», которая стартовала 12 сентября 1959 года, а 14 сентября первым из земных объектов достигла лунной поверхности в районе Моря Ясности (вблизи кратеров Аристилл, Архимед и Автолик) и доставила вымпелы с изображением Государственного герба СССР. При подлете к Луне измерения подтвердили отсутствие заметного магнитного поля Луны и лунных радиационных поясов..

Вымпел, доставленный на поверхность Луны станцией «Луна-2»　

Первым американским искусственным объектом, достигшим поверхности Луны, был космический аппарат «Рейнджер-4», стартовавший с Земли почти через 2,5 года после успешного полета «Луны-2». Впрочем, «Рейнджер-4», пролетев по нерасчетной траектории, не выполнил программу полета и упал на невидимую сторону Луны.