Ay'ın birkaç bölgesine altı kez insan göndermek ve oradan 380 kg kaya örneği getirmekle doğal olarak Ay hakkında merak edilen her şey yanıtlanamadı. Hatta Ay hakkında bilinmek istenilen en önemli konu olan, Ay'ın nasıl oluştuğu bile çözülemedi.
O dönemde Ay'ın oluşumuna ilişkin iki temel teori vardı. Birinci teoriye göre Ay da tıpkı Dünya gibi Güneş Sistemi'nin oluşumu sırasında gaz ve toz bulutundan, bugün bulunduğu yerinde oluşmuştu. İkinci teoriye göre de Ay başıboş gezen bir gökcismiyken, Dünya'nın kütleçekim alanına girmiş ve bugünkü yörüngesine oturmuştu. Bir başka deyişle Dünya, Ay'ı kapıp uydusu yapmıştı!
Ay'dan getirilen kayalar Ay'ın oluşumuna yönelik bu teorilerin sınanmasını sağlayacaktı; hangisinin doğru olduğu ortaya çıkacaktı. Ne var ki gelen kayalar, iki teoriyi de ne tam destekledi ne de tam olarak çürüttü. Bu kayalar Dünya'dakilerden biraz farklıydılar. Öyleyse Dünya'dakilerle aynı süreçlerden geçerek oluşmuş olamazlardı. Ayrıca Ay da Dünya ile aynı şekilde, onunla benzer bir süreçten geçerek oluşmuş olsaydı; tıpkı onunki gibi büyükçe bir demirden çekirdeği olması gerekirdi; ama yoktu. Öte yandan Ay kayaları meteoritlerden farklıydılar ve Dünya'daki kayalarla da birçok ortak yönleri vardı. O zaman Ay ile Dünya'nın ortak bir geçmişi de olması gerekiyordu. Zaten Dünya'nın, yakından geçmekte olan Ay kadar büyük bir gökcismini yolundan çevirip de kendi çevresinde dönmeye zorlayacak bir kütlesi yoktu.
1968'de Apollo 8 ile üç astronot Ay'a inmedi; ama ilk kez bir başka gökcisminin yörüngesine girip onu inceledi. Uzay aracının Ay'ın çevresindeki 4. turu sırasında, astronotlar daha önce hiçbir insanın görmediği bir görüntüyle karşı karşıya kaldılar: Ufukta yavaş yavaş Dünya doğuyordu.
Ayrıca Apollo astronotlarının getirdiği kayalar ve toprak, Ay'ın oluşumundan kısa bir süre sonra tümüyle eriyik halde ve lavla kaplı olması gerektiğini ortaya koyuyordu. Ne var ki Ay kadar küçük bir gökcisminin yüzeyi doğal olarak hiçbir zaman böylesine ısınmış olamazdı. Ay'dan gelen kayalar sayesinde, Ay'ın kökeninin gizemi çözülememiş, hatta tersine gizem biraz daha derinleşmişti. Ay'ın Dünya kadar yaşlı olduğu, Ay'da hiç su bulunmadığı, oradaki kayaların Dünya'nın mantosundaki kayalara benzediği, çok az demir içerdikleri ve bir zamanlar Ay'ın yüzeyinin tümüyle eriyik olduğu anlaşılmış oldu. Sanki Ay ile Dünya aynı süreçlerden geçerek oluşmuştu; ama sonra Ay çok ısınmış, erimişti ve demir çekirdeğini de bir şekilde yitirmişti.
1970'li yılların başında, Güneş Sistemi'nin ilk dönemlerinde oluşumları sırasında, kısa sürelerde hızla büyüyen gökcisimleri arasında şiddetli çarpışmaların gerçekte çok sık yaşandığı ortaya çıktı. Gezegen sistemlerinin oluşum süreçlerinde, öngezegenlerin ve dev asteroitlerin birbirleriyle çarpışmasının olağan bir olay olduğu, hatta sürecin önemli bir parçası olduğu anlaşıldı. Bu bilgi Güneş Sistemi'ne yönelik birçok teorinin gözden geçirilmesine yol açtı.
O dönemde William Hartmann adlı bir gezegenbilimci NASA'da Ay kraterlerinin haritalarının çıkartılması işiyle uğraşıyordu. Bir yandan da aklına takılan birtakım sorulara yanıt arıyordu. Ay'daki çok büyük kraterlere çok büyük asteroitler yol açmıştı. Peki, bu çarpışmaların en büyükleri nasıl olmuş olabilirdi? Acaba gezegen büyüklüğünde gökcisimleri hiç çarpışmış mıydı? Çarpışmışsa, çarpışmanın ne tür sonuçları olmuştu? Hartmann, bu sorulara yanıt ararken Ay'ın oluşumuyla ilgili “Korkunç Çarpışma Teorisi” adını verdiği bir teori geliştirdi. Teorisini de 1974'te duyurdu.
Hartmann'ın teorisine göre, yaklaşık Mars büyüklüğünde Orpheus adı verilen bir gezegen, Dünya'nın oluşumundan yaklaşık 50 milyon yıl sonra Dünya'ya çarpmıştı. Çarpışmanın şiddetiyle Dünya'nın mantosunun büyük bölümü uzaya savrulmuştu. Çarpan gezegenin ağır elementleri Dünya'da kalmış, onun çekirdeğiyle birleşmiş, hafif olanlarsa uzaya saçılmıştı. Uzaya saçılan maddeler kütleçekim etkisiyle kısa sürede toplanarak bir araya gelmişti. Çarpışmadan çok değil birkaç yüzyıl sonra, Dünya'dan yalnızca 25.000 km ötede büyükçe bir doğal uydu oluşmuştu: Ay. O dönemde Ay, Dünya'ya bu kadar yakın olduğundan Dünya'dan çok büyük, bugünkünün 15 katı görünüyordu.
İlk başta birçok gökbilimcinin önemsemediği bu teori, sonraki on yıl boyunca giderek yandaş kazandı; çünkü Ay hakkında bilinen ve bir arada anlamlandırılması güç görünen birçok bilgiyle uyuşuyordu. Günümüzde Ay'ın oluşumuna yönelik genel kabul gören teori de budur. Teori genel kabul görmeye başladığı sıralarda, Güneş Sistemi'ni araştırmak için gönderilen uzay sondalarından gelen veriler bu tür şiddetli çarpışmaların yalnızca Ay ile sınırlı olmadığını ortaya çıkartmıştır. Uranüs'ün uydusu Miranda'nın “yamalı” yapısı, onun da bir zamanlar parçalanmış ve sonra yeniden birleşmiş bir gökcismi olduğunu gösterir. Satürn'ün -ve öteki dev gezegenlerin- halkalarını oluşturan maddelerin de, aslında bir zamanlar bazı uyduların parçalanmasıyla ortaya çıkan döküntülerden oluştuğu düşünülüyor. Yalnızca uydularda değil, Güneş Sistemi'nde bazı gezegenlerde de geçmişte yaşanmış çok şiddetli bir çarpışmanın izlerini görmek mümkündür. Örneğin Venüs'ün, kendi eksenindeki dönüş yönü bütün gezegenlerin döndüğü yönün tam tersidir. Benzer bir şekilde Uranüs'ün kendi eksenindeki dönüşü de 90° yatıktır. Bu gezegenlerdeki böylesi sıra dışı özelliklere bir zamanlar başlarından geçen korkunç çarpışmaların yol açtığı düşünülmektedir.
Ay, günümüzde Dünya'dan ortalama 384.000 km uzaktadır. Dünya'nın çevresindeki 2,4 milyon kilometrelik yörüngesini saniyede ortalama 1 km'lik bir hızla, 27,3 günde tamamlar. Yörünge düzlemi, Dünya'nın Güneş çevresindeki yörünge düzlemine göre 5,145° eğiktir. Eksen eğimi de 1,5° kadardır.
Ay'ın Dünya çevresindeki yörüngesi çembere yakın bir elipstir. O nedenle zaman zaman Dünya'ya yakınlaşır, zaman zaman da uzaklaşır. Dünya çevresindeki bir turunu ve kendi eksenindeki bir dönüşünü aynı sürede tamamlar: 27,3 gün. Bu iki sürenin eşit olmasına senkron dönüş denir.
Senkron dönüş nedeniyle, Dünya'dan bakıldığında Ay'ın hep aynı yüzü görülür. Yörüngesinin düzleminin ekliptikle 5° kadar farklı oluşu ve Dünya'ya zaman zaman yakınlaşıp uzaklaşması nedeniyle, aslında Ay'ın değişik zamanlarda görülen bölgeleri Ay yüzeyinin yüzde 59'u kadardır.
İlk oluştuğu dönemde Ay'ın kendi ekseninde dönüşü bugünkünden çok daha hızlıydı ve Dünya'dan bakıldığında her yanı görülüyordu; gerçi o dönemde yeryüzünde değil insan, hiçbir canlı yoktu. Dünya'nın kütleçekim kuvvetinin Ay'da yol açtığı gelgit etkisi Ay'ın dönüş hızının zamanla düşerek bugünkü değerine inmesine yol açtı. Yani Ay'ın dönüşünün bu hızda sabitlenmesi rastlantı değildir. Dünya'nın kütleçekim kuvvetinin Ay'da oluşturduğu gelgit etkisinin “bu konumdayken en az olması”ndan kaynaklanır.
Ay'ın Dünya'ya hep aynı yüzünün dönük olması, yalnızca Dünya-Ay ikilisinde görülmez. Aslında bu durum Güneş Sistemi'ndeki bütün gezegenlerde ve onların büyük uydularında böyledir. Bir başka deyişle Jüpiter'in (8), Satürn'ün (15), Uranüs'ün (5) ve Neptün'ün (2) hatta 2006'da gezegen liginden düşen Plüton'un en büyük uydusunun hep aynı yüzleri gezegenlerine dönüktür. Kendi eksenlerinde dönüş süreleri bilinmeyen daha 27 uydunun da senkron dönüşleri olduğu tahmin edilmektedir.
Dünya'nın kütleçekim kuvveti nedeniyle Ay'da ortaya çıkan gelgit etkisi gibi Ay'ın kütleçekim kuvveti de Dünya'da bir gelgit etkisine yol açar. Yeryüzündeki gelgitlerin temel sorumlusu Ay'dır. Gerçi Güneş'in kütleçekiminin de bunda biraz etkisi vardır; ama asıl etkili olan, Ay'ın kütleçekimidir.
Ay'ın Dünya'da oluşturduğu gelgit etkisi de Dünya'nın kendi eksenindeki dönüşünü yavaşlatır; her yüz binyılda bir saniye kadar. Bundan 4,5 milyar yıl önce, ilk oluştuğu dönemde, Dünya'nın bir günü yaklaşık 8 saatti. O zamanlar Ay da Dünya'ya yalnızca 25.000 km kadar uzaktı. Bu uzaklıktaki Ay'ın, Dünya üzerindeki etkisi çok daha güçlüydü. Ama Ay zamanla Dünya'dan uzaklaştı; kütleçekim etkisi de giderek azaldı. Yine de Ay'ın yol açtığı yavaşlamanın sonucunda Dünya, günümüzde kendi ekseninde bir dönüşünü 23 saat 56 dakikada tamamlar oldu. Aslında bu dönüş hızı hâlâ yavaşlamaktadır.
Ay yüzeyinde gündüz ile gece arasında 250°C'a varan sıcaklık farkları olur. Ama bu durum güney ve kuzey kutup bölgelerindeki bazı derin kraterlerin tabanı için geçerli değildir. Çünkü buralar yıl boyunca karanlık kalır ve sıcaklık da -250°C'a kadar düşer. Çarpan kuyrukluyıldızların getirdiği suyun bu bölgelerde buz halinde bulunma olasılığı vardır. Bilim insanları bu olasılığın uzun zamandır farkında. Ne var ki 1972'den beri Ay'a hiçbir araştırma sondası gönderilmediğinden, bu durumun araştırılması mümkün olmadı.
Ancak 1994'te, Apollo 17'den 22 yıl sonra, NASA, Clementine adlı bir uzay aracını Ay'a gönderdi. Ay'ın yörüngesine giren Clementine, iki ay boyunca uydumuzun kutuplarını radarla taradı ve herkesi şaşırtan veriler elde etti. Ay'ın yüzeyine gönderdiği radar dalgaları bazı alanlarda tıpkı buzlu bir yüzeye çarpıyormuşçasına yansıyordu. Birden Ay'ın kutup bölgelerindeki bazı kraterlerin tabanlarında su bulunma olasılığı güç kazandı. Bu durum her şeyi değiştirdi.
2004'ten bu yana da Japonya'nın, Çin'in, Hindistan'ın ve ABD'nin uzay araçları, Ay'ın çevresinde değişik yörüngelere oturdu ve doğal uydumuz yeniden incelenmeye başlandı. NASA'da 40 yıl aradan sonra yeniden Ay'a yolculuk planları yapılmaya başlandı. Ama planlar artık öncekilerden farklı olarak giden astronotların uzun süre kalacağı daimi bir üsse yönelik yapılıyor. Bunun yanında Çinli bilim insanları 2020'ye kadar Ay'a insan göndermeyi planlıyor. Ayrıca bazı özel girişimcilerin de Ay'ın yörüngesine turist götürüp geri getirmeye yönelik planları var.