thumb|L'astronaute Harrison Schmitt à côté d'un rocher de la vallée Taurus-Littrow lors de la mission ().|alt=Un astronaute à proximité d'un important massif rocheux.
L'exploration de la Lune par des engins spatiaux constitue un objectif important au début de l'ère spatiale, dans les années 1950, notamment car cet astre, le plus proche de la Terre, est une cible relativement facile à atteindre et constitue un symbole fort. Les programmes soviétique Luna et américain inaugurent une série de missions d'exploration au moyen de sondes spatiales dont l'objectif principal est de cartographier et d'identifier les principales caractéristiques de l'environnement lunaire. Cette phase culmine avec le premier pas de l'homme sur la Lune par l'Américain Neil Armstrong le , dans le cadre de la mission . Les données recueillies confirment l'image qui s'était progressivement dessinée au d'un monde froid et mort.
Dans le contexte de la guerre froide, l'exploration de la Lune est davantage motivée par la lutte entre les deux superpuissances de l'époque que par la recherche scientifique, même si le programme Apollo permet de ramener près de de roches lunaires sur Terre. Celles-ci, ainsi que les données recueillies par les instruments sur place, permettent de répondre à de nombreuses questions concernant la Lune tout en en soulevant de nouvelles. À la même époque, le programme lunaire habité soviétique est abandonné après les échecs rencontrés par le lanceur spatial lourd N-1. Cet échec est en partie compensé par l'envoi réussi des deux astromobiles Lunokhod (1970). Avec la fin du programme Apollo, l'exploration spatiale se détourne de la Lune pour se porter vers les planètes, plus lointaines mais relevant d'enjeux scientifiques jugés plus importants.
Le retour des hommes sur le sol lunaire est depuis les années 2000 un thème récurrent aux États-Unis, motivé par des considérations politiques plus que scientifiques. Le projet Constellation de la NASA, qui débute en 2004, a pour objectif l'envoi de missions habitées vers la Lune dans les années 2020. Il relance l'exploration scientifique de la Lune à travers les missions du programme (depuis 2009) et certaines missions américaines du programme . Celles-ci ont pour objectif de compléter les travaux entamés auparavant, en particulier dans la région des pôles où la présence d'eau est détectée. Début 2010, le président Barack Obama annule le projet Constellation pour des raisons budgétaires. En 2017, la NASA décide de développer une station spatiale autour de la Lune, la , qui doit servir de relais pour des missions plus ambitieuses, d'abord vers la surface de la Lune puis vers Mars. À la demande du président américain Donald Trump, le programme Artemis est mis sur pied début 2019 pour envoyer des hommes à la surface de la Lune dès 2024. Cette échéance peu réaliste est repoussée mais le programme qui doit comprendre à terme une base permanente au pôle sud occupée périodiquement se poursuit activement en 2026.
Parallèlement, de nouvelles nations spatiales lancent des sondes spatiales vers la Lune car sa proximité permet d'acquérir plus facilement la maîtrise de ce type de mission complexe. La Chine poursuit sa montée en puissance dans le domaine spatial en déposant sur le sol lunaire le le rover Yutu dans le cadre de la mission . Il s'agit de la première mission sur la surface de la Lune depuis 1976. Début 2019, la Chine effectue le premier atterrissage en douceur sur la face cachée de la Lune avec le rover de la mission . L'Inde devait également faire atterrir Chandrayaan-2 en 2019 à la surface de la Lune tandis que la Chine lance à la fin de la même année la mission de retour d'échantillons . Enfin la Chine développe les éléments (lanceur, atterrisseur) qui devrait lui permettre des hommes sur la Lune au début de la décennie 2030.
Contexte des débuts de l'exploration de la Lune Un satellite mal connu
À l'époque où les premières sondes spatiales sont lancées vers la Lune, ce satellite naturel de la Terre, pourtant proche, garde une grande part de mystère. L'origine des cratères qui parsèment sa surface ne fait pas l'unanimité : certains rejettent encore l'idée qu'ils aient été créés par les impacts de météorites, une théorie élaborée quelques années auparavantEn 1892, le géologue américain Grove Karl Gilbert est le premier à attribuer la création de tous les cratères lunaires à des impacts en expliquant le mécanisme qui leur donne. Mais la théorie dominante au cours du demi-siècle suivant déclare que les cratères sont dus à des phénomènes volcaniques. L'astrophysicien et industriel apporte des arguments solides dans son ouvrage publié en 1949, fruit de ses observations et de ses connaissances dans le domaine des explosifs. À la fin des années 1950, cette explication par des impacts de météorites n'est pas encore totalement approuvée.. Le mode de formation des mers lunaires est également l'objet de controverses. La communauté scientifique est à peu près unanime sur le fait qu'elles sont constituées par de la lave, mais il y a divergence sur son origine, elle aussi attribuée au volcanisme ou à des météorites. D'autres explications sont avancées, comme celle de l'astronome Thomas Gold qui est largement diffusée dans les médias à la grande fureur du milieu scientifique : pour Gold, les mers sont formées par l'accumulation de débris produits par l'érosion des cratères et des parties les plus élevées de la surface lunaire ; cette poussière, prédit-il plus tard, va engloutir les sondes et les vaisseaux qui se poseront sur le sol lunaire. Certains chercheurs, comme le lauréat du prix Nobel de chimie Harold Clayton Urey, pensent que contrairement à la Terre, la Lune n'est pas une planète différenciée et qu'elle est constituée du matériau primitif présent à la formation du système solaire (théorie de la Lune froide). Le sol lunaire intrigue également car les observations effectuées depuis la Terre au moyen des instruments dans des bandes allant des rayons X aux ondes radio indiquent une grande porosité du matériau de surface, qui est nommé plus tard « régolithe ». Enfin, on ne dispose à l'époque que de quelques mauvaises photos de la face cachée de la Lune prises par la sonde spatiale soviétique .
Un enjeu politique de la guerre froide
La guerre froide entre les États-Unis et l'Union soviétique bat son plein au début de l'ère spatiale et les deux pays tentent de multiplier les premières spatiales pour prouver la supériorité de leur système politique. Dans cette course à l'espace les Soviétiques disposent de deux avantages : ils ont démarré leur programme spatial plus tôt et surtout leurs lanceurs, dérivés comme ceux des Américains de missiles balistiques porteurs de charges nucléaires, sont beaucoup plus puissants car ils ont été conçus pour porter des bombes atomiques aux dimensions plus importantes que les engins nucléaires américains. : dès 1960, l'Union soviétique dispose de la fusée Molnia, capable de lancer vers la Lune une sonde spatiale de . alors que le lanceur concurrent américain, l'Atlas-Agena, ne peut lancer que vers la même destination.
L'exploration de la Lune, corps céleste le plus accessible depuis la Terre, figure dans les premiers objectifs des programmes spatiaux des deux pays. L'URSS réussit dès à lancer la sonde spatiale qui effectue le premier survol de la Lune ; en de la même année, parvient à photographier la face cachée de notre satellite. Les premières sondes américaines du programme (1958-1960) qui poursuivent le même objectif sont victimes d'une série de défaillances. Le programme (1960-1963) prend le relais avec des sondes plus complexes permettant d'effectuer des photos de la Lune mais ne connait ses premiers succès qu'en 1963 après six échecs consécutifs. Le développement d'une deuxième génération de sondes interplanétaires américaines démarre au début des années 1960 avec le programme qui doit permettre d'explorer les planètes intérieures du système solaire (Mars, Vénus, Mercure) tandis que le programme est chargé d'effectuer des investigations scientifiques de la Lune après un atterrissage en douceur sur son sol..
Historique Course à l'espace (1959-1973)
Premières missions du programme Luna
Les soviétiques sont à l'origine de plusieurs premières dans le cadre du programme Luna. La sonde effectue le premier survol de la Lune en . Le premier objet fabriqué par l'homme à atteindre la Lune est la sonde soviétique , qui s'y écrase le . La face cachée de la Lune est photographiée pour la première fois le par la sonde automatique . est le premier engin à se poser en douceur sur la Lune ; elle retourne des photographies de la surface lunaire le . Enfin, le premier satellite artificiel de la Lune est la sonde soviétique , lancée le . retransmet des images télévisées de la Lune en .
Sondes lunaires américaines des années 1960
Parti avec retard, la NASA met sur pied plusieurs programmes destinés à préparer de manière systématique les futures missions habitées du programme Apollo.
Les premières sondes consacrées à l'exploration lunaire sont développées dans le cadre du programme (1958-1960), antérieur au lancement du programme Apollo. Aucune n'atteint son objectif, du fait soit de défaillances du lanceur, soit de problèmes rencontrés par la sonde spatiale elle-même.
Les sondes du programme (1960-1965), après avoir connu une série d'échecs, envoient des milliers de photos prises avant de s'écraser sur la Lune.
Le programme (1965-1967) est constitué de cinq sondes qui se placent en orbite autour de la Lune et réalisent des photographies détaillées des sites d'atterrissage présélectionnés pour les missions du programme Apollo. Ces photos permettent de cartographier 99 % de la surface lunaire.
Les sondes du programme (1966-1968), en effectuant un atterrissage en douceur sur la Lune, donnent de précieuses indications sur la consistance du sol lunaire et les techniques d'atterrissage exploitant un radar. Ces données sont reprises pour définir les caractéristiques du train d'atterrissage du module lunaire Apollo.
Programme Apollo
thumb|Sites d'atterrissage des missions des programmes Luna, et Apollo.
Dans son discours du , le président John Fitzgerald Kennedy annonce que les astronautes américains atterriront sur la Lune avant la fin de la décennie. Il lance ainsi le programme Apollo qui, grâce à une mobilisation sans précédent de moyens humains et de ressources financières, permettra d'atteindre l'objectif fixé.
Le , les membres de l'équipage d’ (Frank Borman, Jim Lovell et William Anders) sont les premiers humains à apercevoir directement la face cachée de la Lune. simule une mission lunaire, avec séparation d'un véhicule lunaire qui s'éloigne du vaisseau principal, mais ne se pose pas. Le premier atterrissage humain sur la Lune a lieu le . C'est le point culminant de la course spatiale engagée entre les États-Unis et l'URSS, alors en pleine guerre froide. Le premier astronaute à poser le pied sur la Lune est Neil Armstrong, le capitaine de la mission . Six missions Apollo en tout se poseront sur la Lune. Les derniers hommes à marcher sur le sol lunaire sont le scientifique Harrison Schmitt et l'astronaute Eugene Cernan, au cours de la mission en . Au total, douze hommes marchent sur la Lune.