Si disparara un proyectil tan grande como un automóvil pequeño a la misma velocidad de una bala, directamente a la luna (desde la órbita), ¿qué podríamos esperar observar desde la Tierra en términos de un cráter de impacto, material de eyección, etc.?

Como otros ya han notado, no irías lo suficientemente rápido. Pero podemos arreglar eso. Supongamos que su velocidad de proyectil es lo suficientemente alta.

El siguiente problema es la dirección. Si quieres golpear la Luna disparando un proyectil desde la órbita de la Tierra, no apuntes “directamente” a la Luna. De hecho, el mejor lugar para disparar el proyectil es en una dirección a lo largo de su órbita, directamente en la dirección del movimiento, y hacerlo cuando esté del lado de la órbita opuesta a la Luna.

Suponiendo que tengamos la velocidad lo suficientemente alta como para escapar de la Tierra y suponiendo que cronometremos el disparo y la dirección correctamente como se indicó anteriormente, deberíamos poder golpear la Luna. Pero normalmente no verías nada desde la Tierra a menos que también apuntases a la oscuridad de la Luna y observaras cuidadosamente en el momento exacto del impacto. Tendría que golpear una parte no iluminada de la Luna. Si golpeas la parte brillante, no verás nada con luz visible. Si golpea la parte oscura, verá un pequeño destello que dura una fracción de segundo lo suficientemente brillante como para ver en un telescopio de patio trasero, si está mirando en el lugar correcto en el momento correcto.

Los tamaños de los cráteres para objetos densos que impactan en la Luna son típicamente de cinco a diez veces el tamaño del impactador. Si su proyectil tiene tres metros de ancho, espere un pequeño cráter de 15-30 metros de ancho. Esto es demasiado pequeño para verlo desde la Tierra. La manta de eyección brillante puede extenderse hacia afuera por cientos de metros, 25-50 veces el tamaño del cráter. Este “punto” brillante podría ser visible desde la Tierra en imágenes telescópicas, pero sería extremadamente difícil de detectar.

Muchas naves espaciales se han estrellado contra la Luna comenzando con Luna 2 hace casi 56 años. Las grandes etapas S-IVB de algunas de las misiones Apolo fueron dirigidas intencionalmente para impactar la Luna principalmente como experimentos sísmicos. Los propios impactos no eran visibles desde la Tierra, si mal no recuerdo. Algunos de los cráteres que dejaron estos impactos fueron fotografiados por el Orbitador de reconocimiento lunar hace unos años: el cráter de impacto Apollo 14 S-IVB.

En realidad no es una respuesta a la pregunta, pero de alguna manera es coincidentemente relevante de todos modos
La NASA estrelló la sonda en el lado oscuro de la luna, luego regresó para tomar fotos del impacto

Por lo que recuerdo (que no es mucho) para escapar de la gravedad de la Tierra, debes superar las 17500 millas por hora en velocidad. La velocidad promedio del cañón de una bala solo sería de alrededor de 2000 millas por hora.
Entonces ni siquiera escaparías de la atmósfera de la Tierra.

Básicamente estás describiendo disparar el arma de 16 “en un acorazado de clase Iowa. ¡Va a dejar un cráter bien, pero no en la Luna!

O si debe hacerlo, la etapa de ascenso del LM no era mucho más grande que un automóvil. Aquellos fueron estrellados nuevamente en la Luna desde la órbita lunar.

Habría un cráter de impacto y podríamos observarlo desde la Tierra porque SERÍA en la Tierra. Las balas de rifle son mucho más rápidas (3x) que las balas de pistola, pero ni siquiera son mucho más rápidas que 3,500 pies por segundo.

Eso es solo 2,386 mph o 3,840 Km / h, por lo que ni siquiera está lo suficientemente rápido como para ponerlo en órbita.