Однако наблюдать фотоны самых высоких энергий (десятки тераэлектронвольт и выше) оказывается затруднительно (их просто крайне мало). Так, например, за 24 часа чистого времени наблюдений Крабовидной туманности (яркого источника!) установка H. E. S. S. регистрирует лишь несколько фотонов с энергиями выше 30 ТэВ. Поэтому для ультравысоких энергий пытаются применять другую методику наблюдения атмосферного черенковского излучения. Этот способ не позволяет напрямую получать изображения, однако с помощью обработки сигнала можно определить направление на источник. Метод состоит в том, что на большой площади (десятки или в будущем даже сотни квадратных километров) размещаются чувствительные фотоумножители, регистрирующие атмосферное черенковское излучение. Именно так работает, например, установка «Тунка-HiSCORE» (Hundred Square-km Cosmic ORigin Explorer, Прибор для исследования частиц космического происхождения площадью в сто квадратных километров), расположенная в Тункинской долине вблизи озера Байкал.
Известно более сотни источников на энергиях выше 1 ТэВ.
Другой тип наземных установок регистрирует сами вторичные частицы, порожденные гамма-квантами в атмосфере. Водяные черенковские детекторы представляют собой цистерны, заполненные водой. При попадании в них электроны испускают черенковское излучение, регистрируемое фотоумножителями. Угловое разрешение таких установок невелико, зато они могут работать практически постоянно и получают данные о фотонах очень высоких энергий.
Обсерватория HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Observatory, Высокогорная водная черенковская обсерватория, Мексика) состоит из нескольких сотен емкостей, каждая из которых содержит по 188 т воды. Она позволяет регистрировать фотоны с энергиями до 100 ТэВ (почти в миллион миллиардов раз выше энергии красных фотонов видимой части спектра).
Существуют и другие методики регистрации вторичных частиц. Например, сцинтилляционные детекторы установки Tibet-III или счетчики с резистивными платами (resistive plate counters) установки ARGO-YBJ (Astrophysical Radiation with Ground-based Observatory at YangBaJing, Наземная обсерватория астрофизической радиации в Янбацзине). Однако пока они менее эффективны.
Отдельное место в гамма-астрономии занимают космические гамма-всплески. Они были открыты в 1967 г. c помощью американских спутников-разведчиков Vela (название происходит от испанского velar – нести дозор), предназначенных для слежения за ядерными испытаниями. Из-за плохого углового разрешения в гамма-диапазоне до 1997 г. не удавалось даже определить, на каких расстояниях они происходят. Одновременная регистрация гамма- и рентгеновского излучения от одного из всплесков приборами, установленными на борту итало-голландского спутника BeppoSAX (Beppo – в честь итальянского физика Джузеппе Оккиалини (Giuseppe Occhialini), Satellite per Astronomia a raggi X–Cпутник для рентгеновской астрономии), позволила определить достаточно точные координаты события. В результате удалось провести оптические наблюдения на крупных телескопах, был открыт транзиентный оптический источник в далекой галактике, и подтвердилась гипотеза космологического происхождения гамма-всплесков.