基本內容
宇宙的知識大多來自光子，而其他高能粒子諸如宇宙線、中微子和可能的暗物質、反物質的陌生粒子，也攜帶著重要信息。宇宙線是被超新星激波和其他高能現象加速的相對論性粒子。它們在星際介質的電離、加熱和加壓以及高能光子的產生中起著重要作用。典型的宇宙線具有與其靜質能相比較的動能，但多數高能宇宙線所具有的能量要大近1萬億倍。迄今尚不了解這些超高能宇宙線的本質和起源。
在太陽一類恆星的內部、在超新星爆發中、在可能的γ射線暴和在超大質量黑洞周圍發生的核反應都可產生中微子。多數現有的中微子探測器都是設計研究來自太陽的相對低能的中微子，並且主要集中於研究中微子物理。歐洲和美國正在實施的幾個項目是為了搜尋能量更高的中微子。美國項目南極μ子和中微子探測器陳列（AMAND A）用南極一大塊地表下的冰來探測中微子；一項大得多的後隨實驗冰方計畫亦已經提出（見中微子天文學）。
新的實驗研究
一些搜尋陌生暗物質粒子的實驗也正在進行或將要開始。在美國軸子實驗剛剛開始了對於軸子粒子的搜尋，而低溫暗物質搜尋Ⅱ項目則有望成為迄今搜尋弱相互作用大質量粒子WIMP最靈敏的實驗。這些實驗對於天體物理學和物理學同樣重要，因為如果不了解宇宙中主要物質形式的本質，則對於宇宙的了解就太不完全。
宇宙學中最基本的問題之一是宇宙中物質和反物質之間是否對稱。太陽系、銀河系由普通物質組成，銀河系外反物質的實驗上限還沒有定論。將在國際空間站上進行的大型超導磁譜儀實驗，有可能對是否存在反物質作高靈敏度的研究。
