AY, Yer’in tek doğal uydusu. Ay, geceleri gökyüzünde Güneş’e eşit büyüklükte, yani bütün yıldız ve uydulardan çok daha büyük, iri bir gök cismi gibi görünür. Ay’ın kendisi ışık vermez; Güneş’in ışığını yansıtarak parlar. Ay hemen hemen küre biçimindedir. Yer çapının üçte birinden küçük olan çapı 3.480 km uzunluğundadır. Hacmi, yer hacminden 49 kez daha küçük; kütlesi, yer kütlesinden 81 kez daha hafiftir. Bu nedenle Dünya’da 100 kg gelen bir ağırlık Ay’da 17 kg gelir. Ay’ın yer çekimi bu verilerden yararlanılarak genel çekim yasaları uyarınca saptanabilir. Ay’ın yer çekimi Dünya’nın yer çekiminden 6 kez daha zayıftır. Ay’ın Dünya’dan uzaklığı ortalama 384.000 km’dir. Ay, yörünge düzlemine göre 83° 30´ eğik bir eksen üzerinde kendi çevresinde döner. Ay’ın kendi ekseni çevresinde dönme süresi, yer çevresinde dönme süresine tam olarak eşittir. Bu nedenle yeryüzünden bakıldığında Ay’ın hep aynı yüzü görünür. Yer’den yapılan gökbilimsel araştırmalarda Ay’ın yalnız bir yüzü incelenebilir. Ay’ın diğer yüzü günümüzde uzay araçlarından alınan fotoğraflarla incelenmektedir. Ay’ın Yer’den görünmeyen yüzünün ilk fotoğrafı, 1959’da Sovyet araştırma uydusu Lunik-III aracılığıyla çekilmiştir. Ay, Yer çevresinde aşağı yukarı dairesel bir yörünge çizerek döner. Tam bir yörüngeyi 27 gün 8 saatte dolanır. Bu süre bir “yıldız ayı” uzunluğundadır. Yer’in Ay hareket ederken Güneş çevresinde dönmesi nedeniyle yeryüzünde bulunan bir gözlemciye göre Ay, Yer çevresinde bir yıldız ayından daha uzun sürede döner. “Ay ayı” denilen bu süre 29 gün, 12 saat, 44 dakika 2,8 saniye uzunluktadır. Ay’ın her “Ay ayı” süresince üç gök cisminin, yani Ay, Yer ve Güneş’in karşılıklı konumlarına göre değişen görünümlerine Ay’ın evreleri adı verilir. Ay, Güneş ile Yer arasında bulunduğunda yüzü karanlıktır ve dolayısıyla Yer’den görülmez. Bu durumda “yeniay” evresi söz konusudur. Buna karşılık Ay, Yer’e göre Güneş’e ters konum aldığında, aydınlanan yarı küresi Yer’den tümüyle görünür. Bu evreye “dolunay” denir. Bu evrede uydu, geceleri göğü aydınlatan parlak bir daire görünümündedir. Ay’ın “yeniay” evresinde yörüngesinin uzaydaki konumu nedeniyle, Yer ile Güneş arasına girmesi sonucu geçici olarak “Güneş tutulur”. Dolunay, Yer’in uzaya düşürdüğü gölge konisi içine girdiğinde “Ay tutulması” gerçekleşir. Bu olaylarla ilgili gök cisminin, bütününün ya da bir bölümünün gölge içine girmesine bağlı olarak, tam ya da kısmî tutulma gerçekleşir. Yeryüzündeki gelgit olaylarına Ay’ın çekim gücü yol açar. Yer, kendi çevresinde 24 saatte döndüğünden kuramsal olarak, denizlerde günde iki yükselme ve iki alçalma gerçekleşir. Ama yerel koşullar birçok bölgede bu düzenliliği bozar. Ay’ın güçsüz yerçekimi, üzerinde kalıcı bir atmosfer oluşumuna olanak vermez. Ay’ın atmosferi, oluşumunun başlangıcında bulunmuş olsa bile, sonradan uzayda yavaş yavaş dağılmış olduğu düşünülebilir. Ay’da su ve hava olmadığından, üzerinde en azından bildiğimiz biçimiyle, organik bir yaşam yoktur. Bununla birlikte, Ay toprağının altında, güçsüz yaşam belirtilerini, örneğin bakteri yaşamını besleyebilecek çok az oranda su ve hava kalmış olabileceği yolunda bir varsayım ortaya atılmıştır. Fakat Ay yüzeyinden alınan kaya örnekleri, bugüne dek bu varsayımı doğrulamamıştır. Ay küresinin yavaş dönmesi nedeniyle Ay’da, gündüz ve gece çok uzundur. Her biri iki haftadan çok sürer. Atmosferin sağladığı bir ısı kalkanıyla çevrili olmadığından Ay’da gündüz yakıcı bir sıcak, gece dondurucu bir soğuk hüküm sürer. Yapılan ölçümler, Ay ekvatorunda sıcaklığın öğleye doğru, 120 derecenin üstüne çıktığını gösterir. Aynı bölgede sıcaklık, gece yarısı -150 derece ve daha altına düşer. Uydunun yüzeyindeki belli büyüklükte kayalar, iki haftalık süre içinde gece boyunca soğuğun etkisiyle büzülür. Geceyi izleyen iki haftalık gündüz süresince de genişleyip çatlayarak, toz durumuna gelir. Ay yüzeyinin biçimlenmesinde, bu ısı dengesizliğinin yanı sıra atmosfer direnişiyle karşılaşmadan milyarlarca yıl süren göktaşı bombardımanının da önemli rolü vardır. Yakın zamanlara dek Ay’ın en belirgin engebelerinin kayalardan oluştuğu sanılıyordu. Oysa günümüzde Ay’da bu tür kayaların bulunmadığı bilinmektedir. Ay’ın oluşumu konusunda değişik görüşler öne sürülmüştür. Bir görüşe göre önceleri bağımsız bir yıldız olan Ay, çok eski bir zamanda Yer’in çekimine kapılarak onun uydusu olmuştur. Ay’ın göreceli olarak düşük yoğunluğu kabaca Dünya kabuğunun üst katmanlarının yoğunluğuyla eş değerdedir. Bu nedenle George Darvin, Ay’ın, Yer’den kopmuş bir parça olduğu görüşünü ileri sürmüştür (1898). Üçüncü bir görüşe göre, Yeryüzü ve Ay, bir toz ve gaz bulutundan, aynı zamanda oluşmuşlardır. Astronotların Ay’dan topladığı lav kırıntılarından oluşan tozlar incelendiğinde Ay’daki bazaltlarda mineral oranlarının Dünya’daki bazaltlardaki mineral oranlarından çok farklı olduğu görülmüştür. Bu sonuçlar, Ay’ın Yer’den kopmuş bir gezegen olduğu görüşünü zayıflatmaktadır. SSCB ve ABD’nin uzay alanında kazandıkları başarılar, Ay’a inmek üzere yapılan yarışı hızlandırmış ve sonunda insanoğlu Ay yüzeyine, Satürn-5 roketiyle fırlatılan Apollo-11 uzay aracıyla 20 Temmuz 1969’da inmiş; astronotlar Neil Armstrong, Michael Collins ve Edwin Aldrin, Ay’a inen ilk insanlar olmuşlardır.