Naturalny satelita (księżyc) to ciało niebieskie pochodzenia naturalnego, obiegające planetę (lub planetoidę). Księżyce regularne, krążą w tą samą stronę co planeta obiega Słońce, po orbitach prawie kołowych, położonych (z niewielkimi odchyleniami) w płaszczyźnie obrotu planety. Przeważa pogląd, że powstały one na skutek kondensacji pyłów i gazów z których uformowała się dana planeta. Ponieważ większość księżyców jest znana tylko z obserwacji z dużej odległości, teorie dotyczące ich powstania są zwykle niepewne. Największe księżyce w naszym układzie planetarnym są: księżyce galileuszowe Jowisza: Io, Europa, Ganimedes (największy naturalny satelita w Układzie Słonecznym) i Kallisto, satelita Saturna Tytan, księżyc Neptuna Tryton, oraz satelita Ziemi: Księżyc wszystkie one mają powyżej 3000 km średnicy. W Układzie Słonecznym obserwuje się także występowanie innych ciał niebieskich np. planetoid (krążących między orbitami planet), czy komet (krążących wokół Słońca po drogach eliptycznych, parabolicznych, czy hiperbolicznych.
Ziemia jest pierwszą planetą, licząc od Słońca, która posiada naturalnego satelitę - Księżyc. Jest on piątym co do wielkości księżycem w Układzie Słonecznym. Przeciętna odległość od środka Ziemi do środka Księżyca to 384.400 km. Obiega on Ziemię w ciągu 27,3217 doby (miesiąc gwiazdowy) w średniej odlełości 384400 km. Okres jego obrotu wokół osi równa się okresowi obiegu wokół Ziemi co powoduje, że Księżyc jest zwrócony do Ziemi stale jedną stroną. Średnica Księżyca stanowi około 1/4 średnicy Ziemi, a jego masa 1/81 masy Ziemi.
Fazy Księżyca
Najbardziej charakterystyczne formy na powierzchni Księżyca to kratery wulkaniczne i meteorytowe. Rozległe morza to wielkie rozlewiska lawy, która wydobywała się z jego wnętrza. W budowie wnętrza Księżyca wyróżnia się skorupę o grubości około 64 km, płaszcz u grubości około 700 km oraz stale jądro zawierające żelazo i inne metale. Przyjmuje się, że powstał on około 4.6 mld lat temu, a od Około 3,1 mld lat jest geologicznie nieaktywny.
Wzajemne położenie Ziemi, Księżyca i Słońca powoduje, że z Ziemi widzimy różne części Oświetlonej strony Księżyca, czyli oglądamy różne fazy Księżyca. Gdy Księżyc w swoim ruchu dookoła Ziemi znajduje się w opozycji, wtedy widoczny jest z Ziemi w fazie maksymalnego oświetlenia czyli pełni. Kiedy Księżyc zwrócony jest do Ziemi swoją nieoświetloną stroną, wtedy dla obserwatora na Ziemi jest zupełnie niewidoczny. Znajduje się w fazie nowiu. Niebawem po nowiu można zaobserwować wąski sierp Księżyca, zwrócony wypukłością ku zachodowi. Tydzień po nowiu księżyc dla obserwatora przybiera kształt półkola zwróconego wypukłością w stronę zachodnią. Znajduje się on wtedy w I kwadrze.
Im większa część tarczy Księżyca jest widoczna, tym dłużej daje się on obserwować na nocnym niebie. Po pełni obserwuje się stopniowy zanik oświetlonej części Księżyca. Ubytek widoczny jest po stronie zachodniej tarczy, która będzie skierowana wypukłością ku wschodowi. Po upływie trzech tygodni od nowiu znów widoczna będzie tylko połowa tarczy Księżyca. Będzie on się znajdował wtedy w ostatniej kwadrze. Dla obserwatora na Księżycu Ziemia znajduje się fazie oświetlenia, która jest dopełnieniem fazy księżyca widocznej z Ziemi.
Czas pomiędzy takimi samymi fazami Księżyca, np. jednym nowiem a drugim, zwany miesiącem synodycznym, wynosi 29,5306 doby i jest dłuższy niż okres obiegu wokół Ziemi, tzn. miesiąc gwiazdowy.
Różnica między miesiącem gwiazdowym (syderycznym) czyli okresem obiegu Księżyca wokół Ziemi a miesiącem synodycznym (pomiędzy dwiema tymi samymi fazami Księżyca) wynosząca 2,2 doby wynika z ruchu obiegowego Ziemi wokół Słońca. Obserwacje położenia Księżyca i jego zmieniających się faz służyły rachubie czasu i orientacji na Ziemi. Obserwator z Księżyca widziałby Ziemię, jako świecący krążek pokaźnych rozmiarów.
Księżyc wykonuje ruch obiegowy dookoła Ziemi, oraz ruch obrotowy dookoła swej własnej osi. Płaszczyzna orbity Księżyca nie pokrywa się z płaszczyzną ekliptyki (drogi na sferze niebieskiej, po której w ciągu roku pozornie porusza się Słońce obserwowane z Ziemi), a jest do niej nachylona pod kątem 5°,9’. Przecięcie się tych dwóch płaszczyzn nazywa się linią węzłów. Węzeł natomiast, jest to punk przecięcia ekliptyki, oraz orbity Księżyca.
Zaćmienie Księżyca
Gdy Księżyc w swoim ruchu po orbicie znajduje się w bezpośredniej bliskości któregoś z węzłów, i jest pełnia, wtedy nastąpi zaćmienie Księżyca. Zaćmienie Księżyca zachodzi, więc gdy Ziemia znajduje się między Słońcem a Księżycem i Księżyc znajdzie się w stożku cienia Ziemi. Długość zaćmienia Księżyca uzależniona jest od odległości Ziemi od Słońca, oraz od odległości Księżyca od Słońca. Najdłuższe możliwe zaćmienie Księżyca może trwać
1 godzinę i 42 minuty.
Zaćmienie Słońca
Zaćmienie Słońca powstaje natomiast wtedy, gdy Księżyc znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią i tym samym przesłoni światło słoneczne. Zaćmienie Słońca może trwać najdłużej 7 minut i 40 sekund, i jest ono widoczne tylko na niewielkim obszarze powierzchni Ziemi.
Księżyc powiązany z Ziemią siłami grawitacji wpływa w istotny sposób na jej ruch obiegowy i obrotowy, wpływa na zmiany położenia osi ziemskiej. Księżyc był pierwszym ciałem pozaziemskim, na którym stanął człowiek (20 lipca l969 roku).