Οι κοσμικές ακτίνες είναι μικροσκοπικά σωματίδια, κυρίως πρωτόνια, που πέφτουν στην ατμόσφαιρα της Γης σε διάφορα επίπεδα ενέργειας. Δισεκατομμύρια κοσμικές ακτίνες πέφτουν πάνω στη Γη κάθε δευτερόλεπτο, οι περισσότερες από αυτές με αρκετά χαμηλή ενέργεια. Ωστόσο, κάθε τόσο κοσμικές ακτίνες με ακραία επίπεδα ενέργειας επηρεάζουν τη Γη. Το πιο ισχυρό που έχει καταγραφεί ήταν ένα πρωτόνιο με ενέργεια 50 J, περίπου ισοδύναμη με ένα γήπεδο μπέιζμπολ. Οι επιστήμονες δυσκολεύονται να εξηγήσουν πώς μερικές από τις πιο ενεργητικές ακτίνες πήραν την ενέργειά τους.
Αν και ονομάζονται «κοσμικές ακτίνες», πρέπει να σημειωθεί ότι οι κοσμικές ακτίνες είναι σημειακά σωματίδια, όχι ακτίνες. Εκτός από τα πρωτόνια, τα οποία αποτελούν το 90% όλων των κοσμικών ακτίνων, υπάρχουν επίσης πυρήνες ηλίου, γνωστοί και ως σωματίδια άλφα, που αποτελούν ένα άλλο 9%, και ηλεκτρόνια που αποτελούν το υπόλοιπο 1%.
Το εξωτερικό διάστημα είναι γεμάτο με ένα λουτρό από ταχέως κινούμενα σωματίδια, γνωστά ως ροή κοσμικής ακτίνας. Οι κοσμικές ακτίνες ονομάζονται ιοντίζουσα ακτινοβολία επειδή έχουν την τάση να προσκρούουν σε μόρια με τέτοια δύναμη ώστε να χτυπούν τα ηλεκτρόνια από τα συστατικά τους άτομα, δημιουργώντας καταστροφικά ιόντα. Ένα κομμάτι βιοϋλικού που έμεινε απροστάτευτο για αρκετό καιρό στο κοσμικό περιβάλλον θα μετατρεπόταν σε ελβετικό τυρί. Αυτή είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για τον ανθρώπινο αποικισμό στο διάστημα και όλα τα σχέδια διαστημικών αποικιών διαθέτουν τεράστια θωράκιση για την απώθηση των κοσμικών ακτίνων.
Οι κοσμικές ακτίνες παίρνουν την έκρηξή τους από κοσμικά αντικείμενα και γεγονότα υψηλής ενέργειας, όπως αστέρια νετρονίων, σουπερνόβα και μαύρες τρύπες. Οι περισσότερες κοσμικές ακτίνες προέρχονται από το εσωτερικό του γαλαξία μας, όπου εκτοξεύονται από σουπερνόβα ή εκτοξεύονται σαν σφεντόνα από το απότομο πηγάδι βαρύτητας μιας μαύρης τρύπας. Στην πραγματικότητα, η παρουσία ορισμένων επιπέδων ισχύος των κοσμικών ακτίνων είναι απόδειξη ότι οι μαύρες τρύπες υπάρχουν πραγματικά.
Ένα από τα υψηλότερα επίπεδα της ατμόσφαιρας της Γης είναι γνωστό ως ιονόσφαιρα, επειδή ιονίζεται συνεχώς από τις εισερχόμενες κοσμικές ακτίνες, μαζί με την ηλιακή ακτινοβολία. Η θερμόσφαιρα, η οποία είναι υποσύνολο της ιονόσφαιρας, υφίσταται θέρμανση έως και χιλιάδων βαθμών λόγω ιονίζουσας ακτινοβολίας, αλλά επειδή η πυκνότητα των σωματιδίων εδώ είναι σχετικά χαμηλή, δεν θα ήταν τόσο ζεστό αν επισκεπτόσαστε εκεί.
Οι πιο ενεργητικές κοσμικές ακτίνες προέρχονται από γεγονότα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας έξω από τον γαλαξία μας και παρέχουν ένα σπάνιο παράθυρο στη λειτουργία του ευρύτερου σύμπαντος. Οι φυσικοί κατασκευάζουν εγκαταστάσεις πολλών εκατομμυρίων δολαρίων για να μελετήσουν λεπτομερώς τη ροή των κοσμικών ακτίνων.