所謂的宇宙射線是指來自宇宙中攜帶較高能量的亞原子粒子流，它們的主要成分是那些擁有靜止質量的粒子，而非沒有靜止質量的光子。在目前已知的宇宙射線中，大多數是由質子組成，這部分佔據了大約90%，還有9%是氦原子核，另外將近1%是比氦更重的原子核（又稱高原子序數和能量的離子，簡稱HZE粒子）。除了正物質粒子之外，還有一些宇宙射線是由諸如正電子或反質子等反物質粒子構成。
而我們所熟知的伽馬射線（由高能光子組成）相對於其他宇宙射線要少得多。此外，還有一小部分的宇宙射線是超高能中微子，它們的質量要比大多數亞原子粒子輕得多。
在宇宙射線中，那些擁有極高能量的超高能宇宙射線最受天文學家的關注。超高能宇宙射線擁有的能量超過了100億億電子伏特，這是大型強子對撞機所能使粒子得到最高能量的10萬倍。而有些質子超高能宇宙射線的能量甚至大於5000億億電子伏特，這已經超過了所謂的GZK極限——質子宇宙射線的理論能量上限。
目前已知能量最高的宇宙射線所擁有的能量高達3萬億億電子伏特，它們的速度極度接近光速，達到了光速的99.99999999999999999999951%。由於這種粒子的能量極高，天文學家驚呼其為「我的天啊」粒子。根據分析，它們很有可能是速度極度接近光速的質子，但它們的來源不得而知，因為這種超高能宇宙射線極其罕見。
目前對於超高能宇宙射線的可能來源有幾種解釋，其中包括中子星、活動星系核、極超新星、伽馬射線暴、星系形成時期所產生的星系間衝擊、來自早期宇宙的超大質量粒子的衰變產物。
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