本館於2024年正式與日本國立科學博物館締結姊妹館關係，隨即積極拓展臺日雙方交流與合作。原於2023年在本館展出的《驚心洞波：黑洞暨重力波特展》，在國立清華大學李瑞光特聘教授（兼任日本KAGRA重力波觀測計畫科學委員會副主席）牽線下，促成與日方合作，攜手推動為期五年、橫跨日本七座城市的「臺灣・日本全國巡迴展：極限時空」計畫。 2025年7月18日，於日本標準時間基準地——明石市立天文科學館舉行聯合開幕儀式，並於翌日（7月19日）同步於明石市立天文科學館與大阪市立科學館隆重開展。巡迴展預計於2029年在同樣以「NMNS」為英文簡稱的日本國立科學博物館畫下完美句點。