Наблюдения в некоторых диапазонах спектра возможны только за пределами атмосферы.
Формально эра астрономических наблюдений из космоса началась 5 августа 1948 г., когда на трофейной ракете V-2 был запущен рентгеновский детектор, зафиксировавший излучение Солнца. С помощью детекторов на ракетах было сделано еще несколько важных открытий, включая обнаружение источника Скорпион Х-1 (Sco X-1) – двойной системы с аккрецирующей нейтронной звездой. Однако поток научных результатов резко возрос с появлением астрономических спутников, позволяющих проводить длительные многократные наблюдения.
Уже в апреле 1961 г. на борту спутника Explorer 11 был запущен первый гамма-телескоп. Более серьезный инструмент, работающий в самом жестком диапазоне спектра, был выведен на орбиту в 1967 г. на спутнике OSO-3 (Orbiting Solar Observatory, Орбитальная солнечная обсерватория), и с его помощью удалось идентифицировать первые индивидуальные гамма-источники. Кроме того, рентгеновский детектор на его борту стал первым рентгеновским телескопом, установленным на спутнике, и с помощью этого инструмента впервые удалось наблюдать излучение источника Sco X-1 в течение достаточно долгого времени. Следующим большим шагом вперед в космической гамма-астрономии стал спутник Cos-B, который был разработан Европейским космическим агентством и запущен в 1975 г.
Внеатмосферные наблюдения позволяют получать более высокое качество оптических изображений.
Среди множества гамма-спутников второй половины XX в. выделяется гамма-обсерватория Compton Gamma Ray Observatory, CGRO («Комптон»), выведенная на орбиту в 1991 г. При массе в 17 т это самый тяжелый астрофизический спутник в истории, и этот рекорд, по всей видимости, продержится очень долго.
Рентгеновские наблюдения позволили открыть аккрецирующие нейтронные звезды и черные дыры.
Ввиду важности наблюдений в гамма-диапазоне в космосе постоянно работает несколько соответствующих инструментов. Иногда это небольшие детекторы, выполняющие роль дополнительной нагрузки (как приборы эксперимента «Конус» на спутнике Wind («Ветер», поскольку аппарат изучает солнечный ветер)), иногда – большие установки на специализированных спутниках (таких как Fermi и Swift («Быстрый», поскольку аппарат способен быстро разворачиваться в сторону гамма-всплесков)). Также продолжаются разработки новых инструментов.
Процессы, приводящие к генерации гамма-излучения, не являются тепловыми. Они связаны или с существованием частиц, ускоренных до высоких энергий, или с ядерными процессами. А вот рентгеновское излучение может быть и тепловым, и нетепловым. В природе реализуется очень много сценариев, приводящих к испусканию рентгеновских лучей, поэтому неудивительно, что рентгеновские источники весьма многочисленны, и развитие этой ветви наблюдательной астрономии принесло (и продолжает приносить) много новой информации, востребованной как астрономами, так и физиками.