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宇宙線亦稱為宇宙射線，是來自外太空的帶電高能亞原子粒子。它們可能會產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。射線這個名詞源自於曾被認為是電磁輻射的歷史。主要的初級宇宙射線（來自深太空與大氣層撞擊的粒子）成分在地球上一般都是穩定的粒子，像是質子、原子核、或電子。但是，有非常少的比例是穩定的反物質粒子，像是正電子或反質子，這剩餘的小部分是研究的活躍領域。

大約89%的宇宙線是單純的質子，10%是氦原子核（即α粒子），還有1%是重元素。這些原子核構成宇宙線的99%。孤獨的電子（像是β粒子，雖然來源仍不清楚），構成其餘1%的絕大部分；γ射線和超高能中微子只占極小的一部分。

粒子能量的多樣化顯示宇宙線有着廣泛的來源。這些粒子的來源可能是太陽（或其它恆星）或來自遙遠的可見宇宙，由一些還未知的物理機制產生的。宇宙線的能量可以超過1020 eV，遠超過地球上的粒子加速器可以達到的1012至1013 eV，使許多人對有更大能量的宇宙線感興趣而投入研究。

經由宇宙線核合成的過程，宇宙線對宇宙中鋰、鈹、和硼的產生，扮演着主要的角色。它們也在地球上產生了一些放射性同位素，像是碳-14。在粒子物理的歷史上，從宇宙線中發現了正電子、μ子和π介子。宇宙線也造成地球上很大部分的背景輻射，由於在地球大氣層外和磁場中的宇宙線是非常強的，因此對維護航行在行星際空間的太空船上太空人的安全，在設計有重大的影響。

成分

宇宙線大致可以分成兩類：原生和衍生宇宙線。 來自太陽系外的天文物理產生的宇宙線是原宇宙線；這些原宇宙線會和星際物質作用產生衍生（二次）宇宙線。太陽在產生閃焰時，也會產生一些低能量的宇宙線。在地球大氣層外的原宇宙線，確實的成分，取決於觀測能量譜的哪些部分。不過，一般情況下，進入的宇宙線幾乎90%是質子，9%是氦核（α粒子），和大約1%是電子。氫和氦核的比例（質量比氦核是28%）大約與這些元素在宇宙中的元素豐度（氦的質量占24%）相同。

其餘豐富的部分是來自於恆星核合成最終產物的其它重原子核。衍生宇宙線包含其它的原子核，它們不是豐富的核合成或大爆炸的最終產物。這些較輕的原子核出現在宇宙線中的比例遠大於在太陽大氣層中的比例（1:100個粒子），它們的豐度大約是氦的10−7。

這種豐度的差異是衍生宇宙線造成的結果。當宇宙線中重的原子核成分，即碳和氧的原子核，與星際物質碰撞時，它們分裂成較輕的鋰、鈹、硼原子核（此過程被稱為宇宙射線散裂）。被發現的鋰、鈹和硼的能譜比來自碳或氧的更為尖細，這個值暗示有少數的宇宙射線散裂是由更高能量的原子核產生的，推測大概是因為它們是從銀河的磁場逃逸出來的。散裂也對宇宙線中的鈧、鈦、釩和錳離子等的豐度負責，它們是宇宙線中的鐵和鎳原子核與星際物質撞擊產生的（參見天然的背景輻射）。

即使衛星實驗在原宇宙線中發現一些反質子和正電子存在的證據，但沒有複雜的反物質原子核（例如反氦核）存在的證據。在原宇宙線中觀測到的反物質豐度是符合它們也能由原宇宙線在深太空和普通物質撞擊，在衍生宇宙線的程序中產生的理論。例如，一種在實驗室中產生反質子的標準方法是以能量大於6 GeV的質子去撞擊其他的質子，而在原宇宙線中很輕易的就有許多質子的能量超過這個數值。無論是否在銀河系中，當簡單的反物質能夠由這種程序產生時（不是在大氣層的高層），它們仍可能傳播遙遠的距離抵達地球，而不會在星際空間中與其他的氫原子碰撞而湮滅。抵達地球的反質子特徵是能量最多只有2GeV，顯示它們產生的過程在基本上與宇宙線中的質子是截然不同的。

在過去，人們認為宇宙線的通量隨着時間的推移一直是相當穩定。最近的研究顯示，以1.5至2千年的時間尺度，有證據顯示在過去的40,000年，宇宙線的通量是有變化的。

調節（Modulation）

太陽調節（solar modulation）指太陽或太陽風改變進入太陽系的銀河系宇宙射線強度和能譜的過程。當太陽處於活躍時期，相比安靜時期，銀河系的宇宙射線會較少的進入太陽系。基於這個原因，銀河系宇宙射線與太陽一樣遵從11年周期，但不同的是：劇烈的太陽活動對應低宇宙射線（進入太陽系），反之亦然。

探測

宇宙射線中的原子核之所以能夠從他們遙遠的源頭一直到達地球，是因為宇宙中物質的低密度。原子核與其它物質有着強烈的感應，所以當宇宙線接近地球時，便開始於大氣層氣體中的原子核撞擊。在大氣簇射的過程中，這些碰撞產生很多π介子和K介子，這些很快會衰退為不穩定的μ子。由於與大氣層沒有強烈的感應以及時間膨脹的相對論性效應，許多μ子能夠到達地球表面。μ子屬於電離輻射，從而可以輕易被許多粒子探測器檢測到，例如氣泡室，或閃爍體探測器。如果多個μ子在同一時間被不同的探測器檢測到，那麼它們很可能源自同一次簇射。

現在，新的探測手段能夠不通過大氣簇射現象探測這些高能粒子，也就是在太空中，不受大氣層的干擾，直接探測宇宙線，例如阿爾法磁譜儀實驗。

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