Energie van de kosmische deeltjes
De energie van primaire kosmische deeltjes varieert sterk. De figuur laat het volledige energiespectrum zien. In het gebied van 1 GeV tot ongeveer 50 EeV voldoet het spectrum aan een machtwet:
In dit energiegebied vindt een scherpe daling van de flux plaats met een factor 1030. De helling van het spectrum (linker figuur) lijkt tamelijk constant met een waarde van y = -2.7. Dit suggereert dat er sprake is van een universeel versnellingsmechanisme. Detail analyse leert dat de dimensieloze grootheid y geen constante is, maar varieert: -4 < y < -2.7.
In de rechter grafiek is de deeltjesflux vermenigvuldigd met E3. Geringe afwijkingen van y worden zo beter in beeld gebracht. Inzicht in deze structuur lijkt de sleutel tot het begrijpen van de oorsprong van kosmische straling. Twee gebieden zijn onderwerp van intensief onderzoek: het gebied rond de 'knie' en het gebied rond en voorbij de 'enkel'.
De 'knie'
De knie is het gebied dat ligt net boven een energie van 4 x 1015 eV met een spectrale index y ~ -3.1. Voor energieën boven de 4 x 1017 eV, wordt het spectrum nog steiler: y ~ -3.3. Dit noemt men de tweede knie. Aangenomen wordt dat de kniestructuur een weerslag is van de 'rigidity dependent cut-off'. Het galactisch magnetisch veld is bij toenemende energie niet sterk genoeg om kosmische deeltjes in te vangen. Kosmische deeltjes diffunderen uit het melkwegstelsel, te beginnen met de lichtste (de knie) om vervolgens een steeds grotere fractie te verliezen tot de tweede knie waar zelfs de zwaarste deeltjes voldoende energie hebben om aan het magneetveld te ontsnappen. Deze verklaring wordt bevestigd door metingen waaruit blijkt dat in het kniegebied de gemiddelde massa van kosmische deeltjes toeneemt als functie van de energie.
Hoewel aannemelijk, deze 'rigidity dependent cut-off' is niet boven iedere twijfel verheven. Er zijn nauwelijks data voorhanden in het belangrijke energiegebied tussen 1017 en 1019 eV, waar de galactische bijdrage aan kosmische straling zou moeten eindigen.
De 'enkel' en hoger
Voor deeltjes met een energie groter dan 1-10 x 1018 eV wordt het spectrum weer vlakker: y neemt weer een waarde aan van ~ -2.7. Men spreekt hier van de 'enkel'. In dit gebied zou het aandeel van extragalactische straling domineren.
Boven de 4 x 1019 eV is er sprake van een opnieuw steiler wordend spectrum; de spectrale index is hier -4 tot -5. Dit steiler worden kan worden toegeschreven aan een fenomeen dat de GZK-limiet wordt genoemd. De GZK-limiet is voorspeld door Greisen & Kuzmin en Zatsepin. Zij berekenden dat kosmische deeltjes met een energie groter dan 5 x 1019 eV door wisselwerking met de microgolf achtergrondstraling in het heelal pionen zouden moeten produceren. Hierdoor verliezen de primaire deeltjes energie tot een niveau wordt bereikt beneden de limiet. Het feit dat de vrije weglengte van kosmische straling beknot wordt door deze interactie leidt tot de volgende conclusie. De kans dat kosmische straling met een energie hoger dan de GZK-limiet de aarde bereikt is verwaarloosbaar, tenzij de bron binnen een straal van ongeveer 50 Mpc ligt. Omdat deeltjes met zulke hoge energieën schaars zijn, is het GZK-effect nog niet experimenteel bewezen. Recent onderzoek (het Auger experiment) wijst wel in die richting.