太空天氣是在地球週圍的太空環境條件改變的觀念。它與行星大氣內的天氣觀念不同，涉及太空中的電漿、磁場、輻射和其他物質。"空間氣象"經常隱藏性的意味著在地球附近的磁層，但是它也是在星際間（並且經常是星際空間）的研究。
在我們自己的太陽系內，太空天氣受到太陽風的密度和速度，還有太陽風攜帶的電漿造成的行星際磁場（IMF）很大的影響。不同的物理現象與太空天氣有關，包括地磁風暴和次風暴、范艾倫輻射帶的活動、電離層的擾動和閃爍、極光和在地球表面的地磁的誘導電流。日冕物質拋射和它們關聯的衝激波經由壓縮磁層和觸發地磁風暴也是導引空間氣象的重要驅動力。
被日冕物質拋射或閃焰加速的太陽高能粒子，也是太空天氣的重要駕御者，它能經由感應電流危害到太空船上的電子設備，和威脅到太空人的生命。
太空天氣在幾個相關的地區對太空探索和發展發揮了深遠的影響。不斷變化的地磁條件可以造成大氣密度的急劇改變，造成低地球軌道上太空船高度的墮落。由於太陽活動增強產生的地磁風暴會導致太空船上的檢測器暫時失明，或是干擾到船上的電子儀器，或是太空環境的條件對設計太空船的遮罩和載人太空船的生命支援系統也是很重要的。此外，磁暴也會影響到在高緯度上常態飛行的飛機，使受到的輻射總量增加。
衛星觀測太空天氣
從1995年起，美國國家航空暨太空總署（NASA）和歐洲太空總署（ESA）合作的太陽和太陽風層探測器（SOHO）太空船接近即時太陽資料成為對太空天氣預測的主要來源。在1998年，NASA的高新化學組成探測器（ACE）加入，它攜帶了可以連續傳輸有關原來位置的太空天氣信標。SOHO和ACE都位於L1拉格朗日點，距離地球1%天文單位的地球上游位置，它測量到的太陽風和電將大約在1小時後就會抵達地球。NASA和ESA最新發射的日地關係天文台（STEREO）增加了一個額外的太空天氣資料流程，以立體的影像涵蓋了地球與太陽之間的空間。兩艘STEREO太空船，一艘超越在地球的前方，另一艘尾隨在地球的後方，每年漂移遠離地球約22度。
模型的嘗試
自1990年代以來，從太陽到地球以及周遭太空環境的主要模型，就使用三度空間的磁流體動力學架構模擬。在美國，兩個主要的中心是密西根太空環境模擬中心(CSEM) 和綜合太空天氣中心(CISM) 。
太空天氣事件的例子
1859年9月2日，電報服務中斷。
最著名的空間氣象事件例子是發生在1989年3月13日魁北克水力的電力網路因為地球感應電流瓦解的事件。這個事件開始於一個變壓器出現故障，然後導致大規模普遍的斷電，至少持續了9小時，並有600萬人受到影響。造成這個磁暴發生的事件是1989年3月9日的日冕物質拋射，太陽拋出了一些物質。
1994年1月20日的磁暴撞擊了兩顆加拿大的通信衛星AnikE1和E2，還有一顆國際通信衛星IntelsatK，使通訊暫時性的中斷。
1997年1月7日的日冕物質拋射轟擊了地球的磁層，使AT&T損失了一顆通信衛星Telstar 401(價值$2億美金)。
飛越極區的航線對太空天氣別敏感，部分是因為聯邦航空條例要求在飛行的全程都需要可靠的通信。估計每次偏離極區的飛行都要多耗費$100,000美金的費用，有9家航空公司經營飛越極區的航線，即使有一些衛星的訊號受到干擾，接收機自主完好監測技術可以協助飛機仍然能接收到GPS的訊號。
在載人太空任務期間沒有發生較大的太陽高能粒子事件。雖然，類似的大事件發生在阿波羅16號和阿波羅17號登月任務中間的1972年8月7日。高能量的粒子有可能轟擊到沒有地球磁場保護的太空人，若這些事件發生在這些任務進行的期間，有可能造成死亡或至少會危及太空人的生命。2002年4月12日，一次太陽高能粒子事件衝擊到火星探測器Nozomi，導致大規模的失敗。這個計畫原本就已經比程序表落後了3年，最後終於在2003年12月被放棄。
在地球表面的太空天氣
所知空間氣象和地面層最重大的影響是地磁感應電流(geomagnetically induced current，GIC)。這些可以造成電流在電網、管線和其他傳導網路中流動並且產生損害。在地面上快速的磁場變化 － 在發生磁暴的過程和太空天氣的結合 － 也可以是重要的活動，像是地球物理映射和碳氫化合物的產生。
地球物理的探勘
飛機和船舶承擔的地磁測量在磁暴期間可以快速的受到磁場改變影響。磁暴可能導致資料解釋上的問題，因為在調查地區下的地殼磁場也會受到太空天氣影響產生相似的變化。一個實用的測量設備能夠準確的提出磁暴警告，包括嚴重程度的評估和磁暴持續的時間。
地球物理學和碳氫化合物的生成
由於經濟和其它的原因，石油和天然氣的生產往往涉及定向鑽井，井的路徑從一個單一的井口在水平和垂直方向上都延伸好幾公里。由於附近還有其它的鑽孔，也由於目標的大小－儲藏層可能只有數十到數百米寬－和安全上的理由，在精度上的要求很嚴格。使用陀螺儀的測量方法是最精確也是最昂貴的，因為它可能需要停止鑽井數小時。一個替代的方法是使用磁性的測量，它可以進行鑽井中測量。幾近即時的磁性資料可以用來更正鑽井的方向，並且鄰近的磁場觀測台是不可或缺的(Clark and Clarke, 2001; Reay et al., 2006)。磁性資料和風暴預測還有助於在持續的基礎上弄清楚未知來源的操作錯誤。
核球，在天文學中是指緊密聚集的一群恆星，在多數的場合中提到時，通常就是指星系－特別是螺旋星系－中央區域的核心，但在歷史上核球曾經被認為是有星盤環繞的橢圓星系。然而，在高解析度的影像下，使用哈伯太空望遠鏡揭露出許多核球也具有與螺旋星系相同的特性。現在認為核球至少有兩種類型：像橢圓星系的傳統核球和像螺旋星系的似星盤核球。
傳統核球
這種核球的性質與橢圓星系相似，由於在歷史上對核球的看法，經常被稱為傳統核球。這種核球主要由老年的第二星族星組成，因此顯得偏紅。與星系的盤面比較，它們的軌道本質上是雜亂無序的，在圓球的各部份隨處都可能出現。而且，相較於星系的盤面部分，它們只有少量的塵埃與氣體，這說明了為何只有少數的年輕恆星（因為只留有少量可以形成恆星的材料）。在右邊的例子，M81，我們看見靠泊在星系中心的核球，其特性與橢圓星系非常相似，注意這個核球缺乏螺旋的結構，並且藍色的恆星（表示是年輕的恆星）主要都在環繞著核球外面的盤面上。
這些特性使得許多天文學家認為傳統核球是星系合併過程中的產物，傳統核球被認為是由更小的結構合併的結果。這是一種狂暴的過程，並且因而打亂了恆星原有的路徑（軌道），使得核球內的軌道看似隨機的。在合併的同時，由於來自合併時的震波，氣體雲可能都被轉化成恆星。一個核球可能是已經歷經多次合併的結果，這種過程可能發生在遙遠的過去。那時的合併應該是很普遍的，因此現在多數的傳統核球是年老的，並且在過去的一百億年都沒有顯著的改變。而那些沒有參與合併所剩下來的氣體和恆星，能夠在核球的附近安定下來的，就成為外面的星盤。
似星盤核球
許多核球與螺旋星系相同的特性遠多於橢圓星系，它們經常被稱為贗核球、偽核球或盤核球。最初是發現有些核球內的恆星循著像星盤恆星一樣的軌道在運行，就像是星盤內的恆星。這些核球內恆星的軌道不是隨機的，而是軌道平面和在外面的星盤相同，遵循相同的秩序和潮流，這與橢圓星系非常的不同。
後續的研究（使用哈勃空間望遠鏡）顯示這些核球不僅有塵埃，還有各種各樣複雜的結構。這些結構看起來與螺旋星系相似，只是規模小了許多。巨大的螺旋星系通常比核球的螺旋結構大2至100倍，但這些核球卻是這些星系主要的亮度來源。並且，這些核球有些還有相當強勁的環狀結構，像NGC 4314，是恆星形成的場所。許多核球也有年輕的恆星和正在形成中的恆星，這都與橢圓星系的特性和場合不同。核球內的恆星生成率和星盤中的恆星生成率相似，也是偽核球典型的特性之一。
這些特性（像是螺旋結構和年輕的恆星）意味著有些核球沒有經歷形成傳統核球和橢圓星系的相同過程，但是偽核球形成的理論不像傳統核球那樣的確定。偽核球可能是在最近（在50億年內）發生的合併過程中，合併的星系氣體特別豐富的結果，因此才不同於傳統核球。但是，在合併的過程中要維持星盤的存在是很困難的，這是這種說法令人質疑的地方。
許多天文學家認為核球內的盤面是在外面原本就形成的，並不是在合併過程中形成的。當分離後，有盤的星系可能會重整它們的恆星和氣體（作為對不穩定狀的一種回應），這種過程（稱為世代演化）經常在螺旋星系和棒旋星系中觀察到。可以預料得到世代演化也會將氣體和恆星匯入星系的中心，如果發生這樣的情況，星系中心的密度將會增加，而核球的特性就會和有盤的星系一樣。
如果世代演化對核球的形成有著重大的意義，那麼因為盤的形成使得許多星系好像未經歷過合併的過程。而這意味著星系的形成和演化的理論對過去數十億年星系合併的數量預測應該要更大才對。
多數的核球被認為有超大質量黑洞在它們的核心。由定義（光線不能逃離黑洞），這些黑洞不可能觀測到，但是各種各樣的證據強烈證明它們的存在，不僅是在螺旋星系的核球中心，也在橢圓星系的中心。在不久之前，還認為每一個超大質量黑洞的附近一定有核球的存在，但是寄生著超大質量黑洞卻沒有核球的星系已經被觀測到了。
銀道座標系，是以太陽為中心，並且以銀河系明顯排列群星的平面為基準的天球坐標系統，它的「赤道」是銀河平面。相似於地理坐標，銀道坐標系的位置也有經度和緯度。
許多的星系，包括我們太陽和地球所在的銀河系皆為盤狀結構：我們能看到的多數銀河系物質（除了暗物質）都緊挨著這個銀道面。銀河系本身也像地球一樣有著自轉軸，銀道坐標系利用本身特性來定義坐標系統，也就是以太陽相對於銀心（銀河系中心）轉動來決定銀河系自轉。
在任何天球坐標系都需要定義赤道和極點。銀道坐標系也一樣，需要一條垂直於赤道的子午線作為銀經的起點。經由國際會議決定銀道坐標系的銀緯和銀經分別以「b」和「l」標示，銀極的銀緯（b）是90°（b=+90°或b=−90°）。銀緯～0°的天體，就位在銀河系的盤面（亦即銀道面）上，也就是在銀河坐標的赤道附近。
如此一來，銀道坐標系是在銀道面及其自轉的體系下劃定天體位置，所以當這些天體隨著銀河系一起自轉時，其坐標位置是固定的，然而一旦這些天體不隨著銀河系自轉時，就會造成相對位置的改變，其銀道坐標值也將隨之改變。在銀河系內的天體位置（具體說就是銀道坐標）會保持著相對穩定，但是對銀河系外天體而言，因為並未隨著銀河系一起自轉的關係，便會在銀道坐標系上產生顯著的位置改變。例如考慮一個位置在銀道面，並在自轉軸後方的星系，也就是位置在銀經l=180°。經過1億1千萬年，這個星系的位置將因銀河系自轉而變成銀經l=0°（銀緯不變）。因銀道坐標系是以銀河系決定的坐標系，在系外天體都會以銀河系的自轉週期，約2億2千萬年環繞銀河系一周（不考慮星系自身運動）。
概念上，銀道坐標系也是球坐標，太陽位於銀道面以北，銀經的起點指向銀河中心。銀道坐標系沒有像赤道坐標系的歲差現象，故不需標示曆元。
但銀道相對地球赤道與黃道都有明顯傾角，而日地距離，甚至比鄰星的距離相對於作為背景的銀河系，其周年視差的變化（即相隔半年目標的視位置變化）還是微乎甚微的。但是對於天文愛好者平常觀測的項目，甚至於天體發現等的情況下，亦很少會利用到銀道坐標系。
銀道面是整個銀道坐標系的基本平面，所有銀緯與之平行，銀經與之垂直；銀河系成員如恆星、暗物質與氣體、塵埃等部絕大部分對稱分布在銀道面的兩側。太陽系位處在銀道面以北112.7±1.8 光年（34.56±0.56 秒差距）處，但因為距離銀河系中心30,000光年之遙，相對來說還是非常接近銀道面的。
銀道面和天球的赤道面有123°的夾角，銀緯（b）以0°至90°角度為單位度量，北銀極銀緯是+90°，位置在后髮座，靠近牧夫座的大角星附近；南銀極的銀緯是-90°，位置在南天的玉夫座。
銀經的度量由0°至360°，在銀河系自轉軸所在的人馬座方向起計量，沿著銀道面移動，經天鵝座（銀經90°）、御夫座（銀經180°）與南天的船帆座（銀經270°）。
由於銀道坐標系是球坐標，所以並未在銀河系中定出一個基點，而只是以銀河系的光度定出一個具體的方向和銀道面。然而為定義銀道面，必須經由銀心（銀河系中心）通過太空中便於計量的一個特殊點（太陽中心）。情況類似於在地理坐標系中需確認高度是在地平面之下或之上而必需選擇的一個確切的觀測點。
1958年，國際天文聯合會在第十屆大會上定義了銀道坐標系相對於赤道坐標系統的關係。
北銀極定義在赤經12h 49m，赤緯+27.4° ′ ″（B1950曆元），銀經0度是相對於赤道極位置角123°的大圓半球，銀經增加的方向與赤經增加的方向相同。銀緯向銀北極方向的增加是正值，銀極的緯度是±90°，銀河赤道的緯度是0度。
換算成2000.0曆元的坐標，北銀極位於赤經12h 51m 26.282s，赤緯+27° 07′ 42.01″（2000.0曆元），銀經0度的位置角是122.932°.
銀經和銀緯0度在天球上的位置在赤經17h 45m 37.224s，赤緯−28° 56′ 10.23″（2000.0曆元）。
這與無線電波源人馬座A*，銀河系中心具體的最佳標示物，有少許的差異。人馬座A*的位置是赤經17h 45m 40.04s，赤緯−29° 00′ 28.1″（2000.0曆元），或是銀經359° 56′ 39.5″，銀緯−0° 2′ 46.3″
銀河的自轉
太陽在距離銀河中心8,000秒差距之處圍繞著銀河中心，而它的路徑是接近圓形的軌道，速度為220公里/秒，這與距離銀河中心與太陽相似的天體速率是一致的。結果，以銀河系為基準的銀道坐標系就以太陽為中心建立。但是，在銀河系內其它的天體，依據自身的距離以不同的速率繞著銀河中心公轉，以已知質量預測的自轉速率與觀測到的不同，如同銀河自轉曲線所顯示的，並且這個差異被歸咎於暗物質，雖然其它的解釋也陸續的被提出，像是重力定律的修正，自轉速率不同對自行的貢獻等等。
星系自轉曲線（英語：Galaxy rotation curve）可以繪製成以恆星或氣體的軌道速度為y軸，相對於至核心距離為x軸的圖表。
恆星圍繞星系核心公轉的速度在從星系核心開始的一個大範圍的距離內是均速。
星系自轉問題是被觀察到的轉動速度，和可觀測到的螺旋星系質量，以牛頓動力學預測的星系盤部分的速度之間所造成的矛盾。目前認為這一矛盾現象可以經由暗物質和暈的存在與延伸入星系中而予以解決。
歷史和問題的描述
在1959年，Louise Volders指出螺旋星系M33的轉動沒有遵循克卜勒定律，到了1970年代，這個結果已擴展至許多其他的螺旋星系。基於這樣的模型，在螺旋盤面上的物質（像是恆星和氣體）環繞核心旋轉的軌道應該與太陽系的行星相似，也就是說，都應該遵循牛頓力學。基於此，可以預期在足夠遠的距離上環繞星系中心天體的平均軌道速度應該依照質量分布的遞減，與軌道距離的平方根成反比（圖一中的虛點線）。在發現這種矛盾之時，星系的質量被認為大多集中在星系的核球內，接近星系的核心。
但是，觀測的螺旋星系自轉曲線，都不能證實此一觀點。相反的，曲線沒有如預期的隨距離的平方根減少，而是"平的"－在中心核球外的速度相對於距離幾乎是個常數（圖一中的實線）。對這一現象的解是在符合最少調整的宇宙的物理定律下，是有為數可觀的質量不僅是遠離星系的中心，而且在質量對光度的比率上，發光率也很低。這些額外的質量被天文學家建議歸結為在星系暈內的暗物質，早在40多年前弗里茨·茲威基研究星系團時就已經假設這樣的物質存在了。如今有大量的觀測證據指出冷暗物質的存在，而其存在是宇宙學Lambda-CDM model的主要特色之一。
更進一步的研究
在說服人們相信暗物質的存在曾是很重要的論述，而目前在星系自轉曲線的工作中提供了一些巨大的挑戰。在1990年代，對低表面亮度星系（LSB）的星系自轉曲線和塔利-費舍爾關係的位置進行了詳細的研究顯示它們沒有預期之外的行為。這些星系的行為也是由令人驚奇且時髦的暗物質掌控。無論如何，這種被暗物質掌控的矮星系或許掌握到了結構形成的矮星系問題。
對暗物質理論進一步的挑戰，或者至少是它最普遍的形式－ 冷暗物質（CDM），來自對低表面亮度星系中心的分析。根據CDM的數值模擬，預測被暗物質控制系統的自轉曲線，例如這些星系，對實際的自轉曲線觀測沒有顯示出如預測的形狀。這是所謂冷暗物質的星系暈尖點問題，是由理論的宇宙學家提出的一個較易處理的問題。
暗物質理論繼續支持星系自轉曲線的解釋，因為暗物質不僅從這些曲線得到證據，它也在大尺度結構形成的模擬中成功的解釋星系團中的星系團動力學（一如茲威基最初的提議）。暗物質也正確的預測重力透鏡觀測的結果。
暗物質的抉擇
用於解釋星系自轉曲線的暗物質，可供抉擇的數量是有限的。其中一個被討論的選擇是MOND（被修正過的牛頓動力學），起初是在回溯1983年的現象作邏輯性的解釋，但後來發現對LSB的自轉曲線預測有強大的能力。重力的物理性質會在大尺度上改變的論斷，直到現在依然不是相對論中的理論。可是，這改變了現在張量-向量-純量重力（TeVeS）理論的發展。更成功的選擇是Moffat修正的重力理論（MOG），例如純量-張量-向量重力（STVG）。Brownstein和Moffat（astro-ph/0506370）應用MOG對星系自轉曲線加以質疑，並且已經有超過一百個的低表面亮度星系（LSB）、高表面亮度星系（HSB）和矮星系是吻合的樣品。
超大質量黑洞
超大質量黑洞是黑洞的一種，其質量是{\displaystyle 10^{5}}數{\displaystyle 10^{9}}倍的太陽質量。現時一般相信，在所有的星系的中心，包括銀河系在內，都會有超大質量黑洞。
比較超大質量黑洞與其他質量相對較低的黑洞，可見一些有趣的區別：
1.超大質量黑洞平均密度可以很低，甚至比空氣密度還要低。這是因為史瓦西半徑與其質量成正比，而密度則與體積成反比。由於球體（如非旋轉黑洞的事件視界）體積是與半徑立方成正比，而質量差不多以直線增長，體積增長率則會更大。故此，密度會隨黑洞半徑增長而減少。
2.在事件視界附近的潮汐力會明顯較弱。倘有一太空人向黑洞中央移動，在他到達黑洞深處之前不會感受到明顯潮汐力，此係因事件視界距離位處中央之重力奇點很遠所致。
超大質量黑洞的形成有幾個方法。最明顯的是以緩慢的吸積（由恆星的大小開始）來形成。另一個方法涉及星雲萎縮成數十萬太陽質量以上的相對論星體。該星體會因其核心產生正負電子對所造成的徑向擾動而開始出現不穩定狀態，並會直接在沒有形成超新星的情況下萎縮成黑洞。第三個方法涉及了正在核塌縮的高密度星團，它那負熱容會促使核心的分散速度成為相對論速度。最後是在大爆炸的瞬間從外壓製造原生黑洞。
形成超大質量黑洞的問題在於如何將足夠的物質加入在足夠細小的體積內。要做到這個情況，差不多要將物質內所有的角動量移走。向外移走角動量的過程就是限制黑洞膨脹的因素，並會導致形成吸積盤。
根據觀測，黑洞的類別有著一些差距。一些從恆星塌縮的黑洞，最多約有10太陽質量。最小的超大質量黑洞約有數十萬太陽質量。但卻沒有在它們之間的中介質量黑洞。不過，有模型指異常明亮的X射線源有可能是在這個遺失範圍的黑洞。
都卜勒效應量度
直接量度圍繞鄰近星系核心邁射的都卜勒效應，只有在中央高物質密度的情況下，才可以發現很快速的克卜勒運動。現時唯一已知可以在細小空間中包含足夠物質的是黑洞，或是在天體物理學上很短的時間內將變成黑洞的物體。對於較遠的活躍星系，寬譜線的闊度可以用來探測圍繞近視界的氣體。反射繪圖的技術就是利用這些譜線的變化來量度其質量，而黑洞的旋轉有可能加速了活躍星系的「引擎」能量。
在很多星系中心的超大質量黑洞被認為是活躍星系（如賽弗特星系及類星體）的「引擎」。馬普地外物理研究所及洛杉磯加利福尼亞大學基於歐洲南天文台及凱克天文台的數據，提供了證據指人馬座A*就是在銀河系中心的超大質量黑洞。根據計算，它可能有431萬倍的太陽質量。
銀河系以外的超大質量黑洞
於2004年5月，Paolo Padovani及其他天文學家發表他們發現了在銀河系以外30個超大質量黑洞。他們的發現令我們知道超大質量黑洞的數量最少是以往所知的兩倍。現時相信每一個星系的中央包含一個超大質量黑洞，而它們大部份都處於「不活躍」的狀態且吸積不多。相反在球狀星團的中央卻沒有黑洞，不過相信一些如在飛馬座的M15及在仙女座星系的Mayall II的中央仍有黑洞，估計質量約有{\displaystyle 10^{4}}的太陽質量。
一些星系，如0402+379星系有兩個超大質量黑洞，形成一個二元系統。若它們相撞，將會產生強勁的重力波。
超大質量黑洞質量與星系形成
超大質量黑洞的質量與其身處的星系形態有關。這顯示了星系球體的質量與超大質量黑洞的質量有著相互的關連。而黑洞的質量亦與星系的分散速度有著更緊密的關連。但是這個關連卻未被解開。
微型黑洞，又稱作量子黑洞（quantum mechanical black holes）或者迷你黑洞，是很小的黑洞。被稱作量子力學黑洞是因為在這個尺度之下，量子力學的效應扮演了非常重要的角色。
有可能這些量子層級的原生黑洞是在早期的宇宙（或者大爆炸時期）裡面高密度的環境，或者是在隨後的相變裡面被產生出來。透過因霍金輻射效應所預計散射出的粒子，在不遠的未來，說不定天文物理學家可以觀測到這些黑洞。
有些涉及到多次元的理論，預測存在一些微型黑洞的質量可以小到電子伏特的範圍，這種程度的能量可以在像是LHC（大型強子對撞機，Large Hadron Collider）這種粒子對撞機裡面產生出來。因此有一些大眾擔心這會導致世界末日。然而，這種量子黑洞會很快的蒸發（evaporate）掉，僅僅留下很小的交互作用或者全部消失。而且除了這些理論之外，我們注意到射向地球的宇宙線並沒有對地球產生任何傷害，即使這些宇宙線的質心帶有的能量也高達了數百TeV。
微型黑洞是黑洞的最小質量
原則上，黑洞的質量可以是高過普朗克質量的任何質量。要製造一個黑洞，我們必須要集中質量或能量到逃脫速率超過光速的程度。這個狀況給出了史瓦西半徑公式這裡G是牛頓常數，c是光速，M是黑洞的質量。另外，康普頓波長代表了質量M在靜止時可以被定位的最小範圍。對足夠小的M，縮小後的康普頓波長超過了史瓦西半徑的一半，而這樣則無法存在有關此黑洞的描述（因為無法被定位）。因此可以推斷出，最小的黑洞質量大約是普朗克質量。
一些現在物理的延伸斷定了更高維度空間的存在。在更高維度的時空，重力的強度在距離縮短時，增加的幅度會比起三維空間要高。在某些特定處理多維的理論下，這個效應會將普朗克尺度降低到TeV左右的範圍。這類物理延伸理論的範例包含了大額外維度，藍道爾–桑壯模型（Randall-Sundrum）內的特例，以及弦理論的一些處理像是GKP解法。在這些假說之下，微型黑洞的產生有可能是在大型強子對撞機內就可以觀測到的重要現象。並且也很可能會是宇宙射線就常常引發的一種自然現象。
宇宙線亦稱為宇宙射線，是來自外太空的帶電高能次原子粒子。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射線和超高能微中子只佔極小的一部分。
粒子能量的多樣化顯示宇宙線有著廣泛的來源。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，扮演著主要的角色。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、緲子和π介子。宇宙線也造成地球上很大部份的背景輻射，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，確實的成份，取決於觀測能量譜的哪些部份。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（氦的質量佔24%）相同。
其餘豐富的部份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份，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。
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著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年週期，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
宇宙射線中的核子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。核子與其它物質有著強烈的感應，所以當宇宙線接近地球時，便開始於大氣層氣體中的核子撞擊。在粒子雨的過程中，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緲子。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，許多緲子能夠到達地球表面。緲子屬於游離輻射，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。如果多個緲子在同一時間被不同的探測器檢測到，那麼它們一定產自同一次粒子雨。
如今，新的探測手段能夠不通過粒子雨這個現象檢測這些高能粒子，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。
宇宙射線對太空載人飛行的影響
宇宙射線被地球大氣層影響，對地面的單個人的天然本底輻射僅為0.3-0.4 mSv/y。在大氣層外，每秒約有一個質子或更重的原子核穿過指甲大小的面積，總共每秒約有5000個離子貫穿太空人的身體，打斷體內的化學鍵，引起一連串電離反應。在宇宙射線中，少數較重的核子會造成比質子更大的傷害，因為打斷化學鍵的能力與電荷平方成正比。例如，鐵原子核所造成的傷害是質子的676倍。根據美國航空航天局（NASA）的估計，航天員在太陽系內的太空中每年受到250 mSv的輻射，體內約有1/3的DNA會被宇宙射線切斷。在月面是70-120mSv/y，近地軌道是100mSv/y，范艾倫輻射帶為15 Sv/y。太陽也會釋放大量質子與重原子核，以接近光速噴出，有時一小時內會逾數Sv，對沒有屏障的航天員是致死劑量。
宇宙射線歷史記錄
亨利·貝克勒1896年發現放射性後，許多人認為大氣中的電流（地球大氣層的電離）僅來自於土中放射性物質或產生出的放射性氣體（氡氣的同位素）的輻射。1900至1910年，十年內逐增高度的電離率測量顯示出一個能夠通過空氣對游離輻射的吸收解釋的降值。其後，維克托·赫斯於1912年利用一個熱氣球，帶著三台靜電計，登上了5300米的高空。他探測到電離率增長到大約地面率的四倍。他得出的結論是「我的觀察結果最好的解釋是設想一種高穿透力的射線從上部進入大氣層。」維克托·赫斯因為這次後人命名為「宇宙線」（cosmic rays）的發現於1936年獲得諾貝爾物理學獎。
太陽高能粒子
太陽高能粒子是來自太陽的高能量粒子，在1940年代初期就已經被觀測到。他們包含質子、電子和能量在數十KeV至GeV的重離子（速度最快的粒子可以達到光速的80%）。人們對它們特別重視和感興趣，因為他們會危及在外太空的生命（特別是40MeV的粒子）。太陽高能粒子（SEPs）可以經由兩種過程產生：從耀斑場所獲得能量或是與日冕物質拋射（CMEs）結合的衝激波。但是，只有大約1%的CMEs能夠產生強大的SEP事件。
兩種主要的機制提供加速度的可能：擴散衝擊加速度（DSA，有時稱為第一階費米加速）或衝激漂移機制。SEPs可以在5至10個太陽半徑（地日距離的0.5%）的距離內被加速至數十MeV的高能量，並且在閃焰或物質拋射之後短短的數小時內就抵達地球。這使得預測和對SEP事件的警報很具有挑戰性。SEP事件的組成和種子的分布也是一個活躍的研究領域。
太陽質子事件
太陽質子事件是發生在太陽輻射的質子被加速成為非常高的能量，其成因為接近太陽閃焰或是在星際空間受到和激波關聯的日冕物質拋射。這些高能的質子造成一些影響：它們可以穿透地球磁場和導致電離層的電離；類似極光效果的事件，不同的是那是電子而非質子造成的；高能的太陽質子也會對太空人和太空船造成重大的輻射傷害。
太陽質子所具有的能量通常不足以穿透地球的磁場，在異常強烈的太陽閃焰事件，質子可以獲得足夠的能量，滲透進地球的磁層和更深的電離層。能夠深入滲透的地區包括北極、南極、和南大西洋磁場異常區。
質子是帶電的粒子，因此能夠受到磁場的影響。當高能質子離開太陽時，它們受到強大的太陽磁場牽引(或引導)。當太陽質子進入由地球磁層主導的區域後，地球磁場強度超越太陽的磁場，它們受到地球磁場的引導進入大多數地球磁力線進出的極區。
被引導至極地的高能質子與大氣中的成分碰撞，並且在電離的過程中釋放能量，大多數的能量都在抵達電離層的最低處(範圍在50-80公里)消耗殆盡。這一區域對電離層的無線電通訊非常重要，因為這是大多數的無線電訊號能量被吸收的區域。高能質子的進入增強了電離的程度，提高了在電離層低處的吸收程度並且可以完全阻斷經過極地地區的無線電通訊，這類事件被稱為極冠吸收事件(Polar Cap Absorption events或PCAs)。這些事件大約開始和結束於太陽質子的能量高於10MeV(百萬電子伏特)，而在地球同步衛星的高度大約是10Ppfu(粒子通量單位)。
更嚴重的質子事件會與可以導致一般輸電系統中斷的磁暴結合在一起，但是質子事件本身不僅與輸電系統的異常中斷無關，連磁暴也不是它們引發的，輸電系統只是對地球磁場的波動敏感。
極端強大的太陽質子閃焰能夠產生能量超過100MeV的質子，經由二次輻射的效應會增加地面的中子計數程度，這種罕見的事件被稱為地面級事件(Ground Level Events或GLE's)。
沒有具體的科學證據顯示高能質子事件引發的地面級事件，特別是在大多數人口所在的緯度，有害於人體的健康。地球的磁場在阻止高能粒子輻射抵達地面級的效果特別好，飛越極區的商業飛機在太陽質子事件時測量到高空輻射的增強，但是設置在地面的預警系統會提醒飛行員限制他們在較低的高度巡航。不經過極區的飛機航線受到太陽質子事件衝擊的影響遠低於極區的航線。
當太空人在地球磁場的保護罩之外時，例如，太空人在轉換軌道或在月球上時，會經歷重大的太陽質子輻射暴露。然而，太空人在低地球軌道和依然在太空船厚重的遮罩遮蔽時，他們受到的影響會降至最低。在低地球軌道的質子輻射強度會隨著軌道傾角的增加而增強，因此，越靠近極區的太空船，暴露在高能太陽質子輻射下的風險就越大。
太空人曾經報告在高能太陽質子事件時，高能質子會與視神經作用而看到閃光或條紋，相似的閃光和條紋也出現在高能太陽質子造成太空船上的靈敏的光學檢測器(像是星光偵測器和照相機)失靈的時候。在極端的事件中影響是特別的顯著，使它們不能獲得高品質的太陽或恆星的影像，這會導致太空船迷失它們的方向，而這是地面控制器能維持控制的關鍵。
高能質子風暴也可以使太空船的電荷達到驚人的程度，而危害到電子元件，也可能導致電子元件的運作不正常。例如，改變了固態記憶體，這可能導致資料或軟體被汙染(破壞)，和造成太空船正在執行的命令得到意料之外的結果(幻象)。高能質子風暴也可能毀壞或降低將太陽能轉換成電力的太陽能電池板效率。長年暴露在來自太陽的高能質子活動下，太空船會失去大量的電力而需要關閉許多重要的儀器。
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