Изучение формы Луны с помощью американских спутников «Лунар Орбитер» дало следующие результаты: Луна имеет грушевидную форму – она примерно на 100 метров сплюснута у южного лунного полюса и на столько же выпучена у северного; южное полушарие полнее, а диаметр Луны в плоскости экватора несколько меньше» чем это наблюдалось бы при сферической форме Луны.
Определение гравитационного поля Луны и распределения масс в ней производилось с помощью искусственных спутников «Луна-10», «Луна-11», сЛуна-12», «Луна-14», «Луна-19» и аппаратов «Лунар Орбитер».
Если основной целью запуска первых трех советских спутников Луны было исследование ее поверхности и окололунного пространства, то научная станция «Луна-14» (запущенная 7 апреля 1968 года) и станция «Луна-19» главной задачей имели: уточнение отношения масс Луны и Земли, гравитационного поля Луны и ее формы методом систематических, длительных наблюдений за изменениями параметров орбиты спутника Луны; получение дополнительной информации для построения более точной теории движения Луны.
К настоящему времени опубликованы лишь результаты обработки материалов, полученных станциями «Луна-10» и частично «Лунар Орбитер», которые дают возможность построить в первом приближении гравитационное поле Луны, вызванное несимметричностью расположения масс и центра тяжести нашей естественной спутницы.
Спутник «Луна-10» функционировал в течение двух лунных месяцев (с 3 апреля по 30 мая 1966 года), что дало возможность проанализировать его движение на протяжении 460 оборотов вокруг Луны.
Изменение орбиты лунного спутника вызывается в основном воздействием Земли, Солнца и нецентральностью поля тяготения Луны. Обработка траекторных измерений позволила – при известных возмущениях со стороны Земли и Солнца – построить гравитационное поле Луны.
Изменение основных параметров орбиты спутника «Луна-10» вследствие несимметричности поля тяготения Луны превосходит в 5 – 6 раз соответствующие возмущения, обусловленные воздействием Солнца и Земли. Так, например, нецентральность лунного поля тяготения вызывает в течение одного оборота спутника «Луны-10» изменение в координатах его орбиты, примерно равное 0,75 километра, а влияние Солнца и Земли приводит к изменению координат орбиты не более чем на 0,11 километра за один оборот.
Выявлена несимметричность поля тяготения видимого и невидимого полушарий Луны и тенденция грушевидного распределения масс (по данным измерений «Лунар Орби-тер» центр массы Луны сдвинут в сторону Земли).
Для иллюстрации гравитационного потенциала Луны, определенного с помощью спутника «Луна-10», на рис. 62 приведены сечения поверхности уровня гравитационного потенциала Луны тремя взаимно перпендикулярными плоскостями (радиус окружности сравнения был взят равным 1738 километрам). Оси координат выбраны следующим образом: ось X направлена к Земле, ось Z – к северному полюсу Луны, ось Y дополняет оси X, Z до правой прямоугольной системы.
Рис. 62. Сечения поверхности уровня гравитационного потенциала Луны экваториальной (а) и меридиональными (б, в) плоскостями, по материалам спутника «Луна-10»; радиальное отклонение от окружности увеличено для наглядности в 1000 раз
Траекторные измерения пяти спутников «Лунар Орбитер» также использовались для определения гравитационного поля Луны и распределения масс по ее объему; удачным дополнением к обычным траекторным методам регистрации движения аппарата «Лунар Орбитер-5» явилось его фотографирование на орбите с помощью телескопа.
Оригинальные данные о плотности лунных пород под поверхностью всех пяти кольцеобразных «морей» Луны сообщило Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NACA) на основании изучения полета аппарата «Лунар Орбитер-5» по низкой селеноцентрической орбите.
Оказалось, что в районе лунных морей – Дождей, Ясности, Кризисов, Нектара, Влажности и других – скорость движения спутника возрастала; аналогичное явление было отмечено при полете «Лунар Орбитер-5» над центром видимого диска Луны – между Центральным и Восточным заливами (возможно, что эта область ранее была «морем» округлой формы).
Изучение полученных материалов позволяет утверждать, что под поверхностью лунных «морей», на глубине примерно 50 километров, расположены породы с большой плотностью. Очевидно в процессе образования «морей» Луны при извержении лавы формировались породы повышенной плотности, что, возможно, объясняется (как и кольцеобразная форма «морей») падением на Луну небесных тел типа астероидов.