우주선(cosmic rays)은 우주 공간에서 지구로 떨어지는 높은 에너지를 가지는 소립자들이다. 빛의 속력에 가까운 속력을 가지고 우주의 모든 방향에서 거의 일정한 입사 플럭스(flux)를 가지고 들어온다. 우주선 입자는 양성자, 헬륨의 핵을 비롯한 원자의 핵, 그리고 전자, 양전자 등의 소립자들이다. 우주선이 우주의 어디에서, 어떤 천체에서, 어떻게 가속되는가는 천체물리학의 중요한 문제로 연구되고 있다. 우주선 입자는 주기율표에 있는 거의 모든 원소의 핵을 포함하고 있으며, 구성 비율은 우주의 원소 함량비와 유사하다. 우주에 가장 풍부한 원소인 수소의 핵, 즉 양성자가 약 89 %를 차지하며, 그다음으로 헬륨 핵(알파 입자)이 10%이고, 이보다 무거운 원소의 핵이 1%를 이룬다. 우주선을 이루는 원소의 구성비는 태양계에서 발견되는 원소의 함량비와는 다르게 Li, Be, B과 같은 가벼운 원소들이 더 많다. 이들은 비교적 많은 양을 가지는 C, N, O, Fe과 같은 원소의 우주선이 성간의 가스(주로 수소)와 충돌하여 파쇄(spallation)되어 만들어진다. 전자는 우주선의 1% 정도를 차지하는데, 전자가 원자핵에 비하여 상대적으로 덜 가속되는 이유는 아직 정확히 알려져 있지 않다.
우주선의 유래는 우리 은하의 내부와 외부로 크게 나눌 수 있다. 낮은 에너지 입자는 태양계에서 유래하며 가속 매커니즘에 대한 연구가 활발하다. 에너지가 낮은 입자의 분포는 중성 파이온의 붕괴로 인하여 방출되는 감마선의 분포를 통해 알 수 있다. Abdo et al.(2009)의 Fermi Large Area Telescope를 통한 관측자료에 의하면 주로 이러한 감마선은 우리 은하의 원반부에서 강하게 방출되며 우주선이 형성되는 지역이 은하의 원반부, 즉 항성이 활발히 형성되는 지역임을 말해준다.
우주선의 원천에 대해서는 활발한 연구가 진행되어지고 있으나 우주선의 화학성분과 완벽히 일치하는 모델은 없으며 Webber(1997)에 따르면 첫 번째 이온화 퍼텐셜 편향(FIP bias)을 경험적으로 보정해야 하는 어려움이 있어 정확한 우주선 입자의 유래는 밝혀지지 않았다. 또한 무거운 원소의 양을 초신성의 r-과정과 연결 지으려는 노력이 있었으나 특별히 유의미한 결과는 나오지 않았다. 하지만 Binns et al.(2005)에 의하면 동위원소비가 태양의 5배 정도 과잉되어 있으며 이는 울프-레이어 별에서 왔음을 시사한다. 즉 OB성협이나 항성의 항성풍 버블(Bubble)에서 부터 우주선이 가속되는 것을 알 수 있다.
초신성은 크게 핵붕괴 초신성과 Ia형 초신성으로 구분된다. 핵붕괴 초신성은 무거운 별의 진화의 마지막 단계에서 중심핵의 철이 핵융합 반응을 하지 못하여 중력 붕괴를 하면서 폭발하는 것이고, Ia형 초신성은 쌍성계에 속한 백색왜성이 동반성에서부터 질량 이동에 의하여 급격한 핵융합 반응을 하면서 폭발하는 것이다. 초신성이 폭발하면 충격파(blast wave, shock wave)가 성간물질로 퍼져나가는데, 이 충격파에서 우리 은하 안의 대부분의 우주선이 가속되었다는 이론이 정설로 알려져 있다. 초신성 잔해는 우리 은하 안에서 우주선의 주된 공급원이라 추정되고 있다. 하지만 질량이 큰 OB형 항성의 항성풍 버블의 충격파에서도 가속이 일어나기 때문에 항성 역시 우주선 가속에 기여한다고 보인다. 한편, 은하 원반부의 우주선 에너지 밀도는 10-12 erg/cm3로서 이는 성간 기체가 가지고 있는 열에너지 밀도, 성간 자기장의 평균 에너지 밀도와 같으며, 우주선이 은하의 역학적으로 중요한 성분임을 의미한다.
우주선은 지구의 뱃머리충격파, 항성풍의 말단 충격파, 초신성 잔해 충격파 등 천체물리 충격파에서 가속된다. 천체물리학적 기체는 밀도가 낮아 비 충돌(collisionless) 플라스마로 가정할 수 있다. 항성풍의 초음속 운동에 의하여 비 충돌 충격파가 생성되며, 전자기장과 하전입자 사이의 상호작용에 의하여 입자들이 높은 에너지를 얻어 우주선으로 가속된다고 알려져 있다. 우주선을 가속할 수 있는 충격파는 태양계 내부의 충격파, 항성의 말단 충격파, 초신성 잔해의 충격파, AGN의 상대론적 제트, 감마선 폭발체, 그리고 우주 거대 구조에서 만들어지는 충격파 등이 있으며, 규모가 클수록 가속 가능한 에너지가 더 높다. 앞서 언급한 바와 같이 우리 은하를 채우는 대부분의 우주선은 초신성 잔해 충격파에서 가속되었고 그에 대한 이론적 연구와 관측들은 많은 선행연구들을 통해 검증할 수 있다.