Kosminiai spinduliai yra mažos dalelės, daugiausia protonai, kurios įvairiais energijos lygiais patenka į Žemės atmosferą. Kas sekundę į Žemę atsitrenkia milijardai kosminių spindulių, kurių dauguma yra gana žemos energijos. Tačiau retkarčiais Žemę paveikia ekstremalaus energijos lygio kosminiai spinduliai. Galingiausias iki šiol užfiksuotas buvo vienas protonas, kurio energija buvo 50 J, maždaug prilygstanti beisbolo aikštelei. Mokslininkai negali paaiškinti, kaip kai kurie iš pačių energingiausių spindulių gavo savo energiją.
Nors jie vadinami „kosminiais spinduliais“, reikia pažymėti, kad kosminiai spinduliai yra taškinės dalelės, o ne spinduliai. Be protonų, kurie sudaro 90% visų kosminių spindulių, taip pat yra helio branduolių, taip pat žinomų kaip alfa dalelės, kurie sudaro dar 9%, ir elektronų, kurie sudaro likusį 1%.
Kosmosas užpildytas greitai judančių dalelių vonia, vadinama kosminio spindulio srautu. Kosminiai spinduliai vadinami jonizuojančia spinduliuote, nes jie turi tendenciją paveikti molekules tokia jėga, kad numuša elektronus nuo juos sudarančių atomų ir sukuria destruktyvius jonus. Kosminėje aplinkoje pakankamai ilgai neapsaugotas biomedžiagos gabalas virstų šveicarišku sūriu. Tai yra vienas didžiausių iššūkių žmogaus kosmoso kolonizacijai, o visose kosminių kolonijų konstrukcijose yra didžiulis ekranas, atstumiantis kosminius spindulius.
Kosminiai spinduliai gaunami iš didelės energijos kosminių objektų ir įvykių, tokių kaip neutroninės žvaigždės, supernovos ir juodosios skylės. Dauguma kosminių spindulių kyla iš mūsų pačių galaktikos, kur juos išskleidžia supernovos arba paleidžia kaip timpa iš stačios juodosios skylės gravitacijos šulinio. Tiesą sakant, tam tikrų kosminių spindulių galios lygių buvimas yra įrodymas, kad juodosios skylės tikrai egzistuoja.
Vienas aukščiausių Žemės atmosferos lygių yra žinomas kaip jonosfera, nes jį nuolat jonizuoja įeinantys kosminiai spinduliai, kartu su saulės spinduliuote. Termosfera, kuri yra jonosferos pogrupis, dėl jonizuojančiosios spinduliuotės įkaista iki tūkstančių laipsnių, tačiau kadangi dalelių tankis čia yra palyginti mažas, joje apsilankius nebūtų taip šilta.
Energingiausi kosminiai spinduliai kyla iš ypač didelės energijos įvykių už mūsų galaktikos ribų ir yra retas langas į platesnės visatos veikimą. Fizikai stato kelių milijonų dolerių vertės įrenginius, kad galėtų išsamiai ištirti kosminių spindulių srautą.