Kozmičke zrake su sitne čestice, uglavnom protoni, koje udaraju u Zemljinu atmosferu na različitim razinama energije. Milijarde kozmičkih zraka udaraju u Zemlju svake sekunde, većina njih s prilično niskom energijom. Međutim, s vremena na vrijeme kozmičke zrake s ekstremnim razinama energije utječu na Zemlju. Najsnažniji dosad zabilježen bio je jedan proton s energijom od 50 J, što je otprilike ekvivalent bejzbol terenu. Znanstvenici su u nedoumici objasniti kako su neke od najenergetnijih zraka dobile svoju energiju.
Iako se nazivaju “kozmičkim zrakama”, treba napomenuti da su kozmičke zrake čestice nalik točkama, a ne zrake. Osim protona, koji čine 90% svih kozmičkih zraka, tu su i jezgre helija, poznate i kao alfa čestice, koje čine još 9%, te elektroni koji čine preostalih 1%.
Vanjski prostor ispunjen je kupkom čestica koje se brzo kreću, poznate kao fluks kozmičkih zraka. Kozmičke zrake nazivaju se ionizirajućim zračenjem jer imaju tendenciju udarati o molekule s takvom silom da otkinu elektrone s njihovih sastavnih atoma, stvarajući destruktivne ione. Komad biomaterijala koji je dovoljno dugo ostao nezaštićen u kozmičkom okruženju pretvorio bi se u švicarski sir. Ovo je jedan od najvećih izazova za ljudsku kolonizaciju svemira, a svi dizajni svemirskih kolonija imaju masivnu zaštitu za odbijanje kozmičkih zraka.
Kozmičke zrake dobivaju svoju snagu od visokoenergetskih kozmičkih objekata i događaja, kao što su neutronske zvijezde, supernove i crne rupe. Većina kozmičkih zraka potječe iz naše vlastite galaksije, gdje ih izriču supernove ili lansiraju poput praćke iz strmog gravitacijskog bunara crne rupe. Zapravo, prisutnost određenih razina snage kozmičkih zraka dokaz je da crne rupe stvarno postoje.
Jedna od najviših razina Zemljine atmosfere poznata je kao ionosfera, jer je neprestano ioniziraju dolazne kozmičke zrake, zajedno sa sunčevim zračenjem. Termosfera, koja je podskup ionosfere, doživljava zagrijavanje do tisuća stupnjeva zbog ionizirajućeg zračenja, ali budući da je gustoća čestica ovdje relativno niska, ne bi se osjećala tako toplo ako biste tamo posjetili.
Najenergičnije kozmičke zrake dolaze iz supervisokoenergetskih događaja izvan naše galaksije i pružaju rijedak prozor u funkcioniranje šireg svemira. Fizičari grade objekte vrijedne više milijuna dolara kako bi detaljno proučavali tok kozmičkih zraka.