早期探測

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前蘇聯在1959年為紀念拍到月球背面的第一張照片發行的郵票。

1959年10月7日月球3號拍攝的影像，首次揭示了月球的背面。清晰可見的是莫斯科海（右上）與三胞胎的危海、界海和史密斯海（左中）。

當使用先進的雜訊去除科技（B）恢復月球背面的第一張影像（A）時，與美國國家航空航太局後來的LRO任務（C）相比，重要特徵點清晰可見，可見特徵點的清晰、一對一對照也很明顯。

直到20世紀50年代末，人們對月球背面知之甚少。天平動週期性地允許對月球背面邊緣的特徵進行有限的一瞥，但僅占月球總表面的59%[14]。然而，這些特徵都是從低角度觀察到的，阻礙了有用的觀察（事實證明，很難區分火山口和山脈）。背面剩下的82%的地表仍然未知，對其性質也有很多的猜測。

可以通過天平動看到的背面特徵的一個例子是東方海，它是一個幾乎橫跨1,000 km（600英里），然而，直到1906年，德國天文學家尤利烏斯·海因里希·弗朗茨才將這一個特徵命名。該盆地的真實性質是在20世紀60年代將校正後的影像被投影到球體上，才被發現的。1967年，月球軌道器4號拍攝了該盆地的詳細照片。

在太空探索開始之前，天文學家們沒有想到月球的背面會與地球可見的正面不同[15]。在1959年10月7日，蘇聯探測器月球3號拍攝了月球背面的第一張照片，其中18張是可分辨[16]，[15]覆蓋了地球上看不見的三分之一的表面[17]。在對這些影像進行了分析之後，蘇聯科學院於1960年11月6日出版了第一本月球背面地圖集[18][19]。它包含了500個可分辨的景觀特徵目錄[20]。

在1961年，蘇聯根據月球3號的影像發布了第一個月球儀（比例為1:7007136000000000000♠13600000）[21][22]。

在1965年7月20日，另一個蘇聯探測器探測器3號（英語：Zond3）發表了25張質量非常好的月球背面照片[23]，分辯率遠高於月球3號。特別是，他們發現了數百公里長的環形山鏈[17]。但是，出乎意料的是，沒有一塊能像肉眼從地球上看到的海那樣的平原[15]。

在1967年，《月球背面的圖集》的第二部分在莫斯科發表[24][25]。根據探測器3號的數據，該目錄現在包括4,000個新發現的月球背面景觀特徵[17]。同年，第一張「完整的月球地圖」（比例為1:7006500000000000000♠5000000[21]）並更新了完整的月球儀（比例為1:7007100000000000000♠10000000），呈現月球表面95%的特徵[21]，在蘇聯被釋放[26][27]。

由於蘇聯的太空探測器發現了月球背面的許多突出景觀特徵，蘇聯科學家為它們取了名字。這引起了一些爭議，國際天文學聯合會保留了其中許多名稱，後來承擔了命名該半球月球特徵的角色。

進一步調查任務

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1962年4月26日，美國國家航空暨太空總署遊騎兵4號儘管未能返回撞擊前的任何科學數據，它成為第一艘撞擊月球背面的太空船[28]。

美國國家航空暨太空總署於1966年至1967年發射的美國無載人月球軌道計畫對月球背面進行了第一次真正全面而詳細的測繪。對月球背面的大部分覆蓋是由該系列的最後一個探測器月球軌道器5號提供的

1968年12月，在阿波羅8號任務中，人類首次直接看到了月球背面。太空人威廉·安德斯描述了他的觀點如下：

「背面看起來像是我的孩子們玩了一段時間的沙堆。這一切都是一團糟，毫無章法可言，只是有很多凹凸和洞孔。」

1972年，阿波羅16號拍攝的月球背面，可見界海和史密斯海。可以看見坑洞比月球正面的多得多。

從阿波羅8號和阿波羅10號到阿波羅17號，所有24位太空人都看到過月球背面，並且有許多月球探測器拍攝了照片。太空船從月球後面經過時，都會與地球失去了直接的無線電通信，不得不等到軌道回到正面時才能傳輸資料。在阿波羅任務期間，服務艙的主發動機必須當太空船在月球後面時啟動，在太空船再次出現之前，任務控制中心都因擔心而非常的緊張。

身兼地質學家的太空人哈里遜·舒密特是最後一個登上月球的人，他曾積極遊說阿波羅17號的著陸點位於月球的背面，目標是充滿熔岩的火山口齐奥尔科夫斯基环形山（英語：Tsiolkowskiy）。舒密特雄心勃勃的提議還包括將一顆具有影像傳輸功能，有如現在的红外波段遥感气象卫星（英語：TIROS，Television Infrared Observation Satellite）的衛星以法誇爾-利薩如軌道安放在L2點，以便任務控制中心在太空船下降階段與在太犉月球表面操作期間能維持視線的聯繫。美國國家航空暨太空總署以會增加風險和缺資金否決了這個計畫。

隨著中國國家航天局於2018年5月21日發射的鵲橋中繼衛星，利用地月L2做為覆蓋月球背面通信衛星的想法已經實現[29]。此後，它被用於嫦娥四號著陸器和於2019年初成功登陸月球背面的玉兔二號月球車之間與地球上的地面站之間的通信。L2還被提議做為推進劑庫（英语：Orbital propellant depot）的理想位置[30]。

軟著陸

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玉兔二號月球車在月球背面拍攝的嫦娥四號著陸器。

2019年1月3日，中國國家航天局的「嫦娥四號」實現了人類首次月球背面軟著陸，並在月球背面部署了「玉兔二號」月球車[31]。該飛行器包括一個著陸器和裝有低頻無線電攝譜儀和地質研究工具[32]。2020年2月，中國天文學家首次報導了月球噴出物序列的高解析度影像，以及對其內部結構的直接分析。這些是基於「玉兔2號」月球車上月球探測雷達（LPR）的觀測結果[33][34]。

嫦娥六号已经于2024年发射，着陆于月球背面的阿波罗环形山，采集样本并返回地球。

因為來自地球的干擾被月球阻擋，月球的背面為射電天文學提供了良好的環境。月球表面電磁學實驗（LuSEE Night）著陸器預計最早將於2026年完成軟著陸任務，美國國家航空暨太空總署和美國能源部正在開發一個位於遠端的機器人天文臺，用於量測宇宙早期歷史的電磁波[35]。

由嫦娥四號拍攝的第一張月球背面全景圖。