尋找和觀測以X射線輻射為主的高能天體或高能天體現象、研究其輻射規律的學科。X射線連續譜的主要觀測能區低能端與遠紫外波段相連，可低到數百電子伏；高能端與γ射線波段相連，可高到數十萬電子伏；兩端都沒有明顯邊界。基本的產生過程可見高能天體物理學。一般情況下，與能量低於10千電子伏的軟X射線相關聯的物理過程大多是熱輻射過程，而能量較高的硬X射線的產生大多與非熱輻射過程相關，極端物理條件下的情況會有不同。天體過程的X射線譜線基本上是反映原子內殼層的能級躍遷產生的發射射線或吸收線。由於地球大氣的吸收，天體的X射線探測隻能在火箭和衛星的高度上進行，能量高於20千電子伏的X射線可在40千米以上的高空氣球上進行。
誕生 1962年X射線天文學的誕生也代表瞭高能天文學的誕生。2002年R.賈科尼因在X射線天文學的誕生和發展中作出的貢獻而獲諾貝爾物理學獎。對X射線輻射的首次天文觀測可追溯到1949年，以H.弗裡德曼為首的NRL小組用火箭載蓋革計數管發現瞭來自太陽的X射線輻射。由於太陽X射線的輻射能量隻占其總輻射能的百萬分之一，由此類推到太陽系外，即使是最近的恒星也需要用靈敏度高100倍以上的探測器才可測到，所以最初把註意力主要放在太陽系內。1962年賈科尼等把三個蓋革計數管放在火箭上，試圖發現由太陽X射線照射引起的月面熒光X射線，同年6月18日意外地發現一個來自太陽系以外的新天體。它是一顆13等暗藍色星，後來被命名為天蠍座X–1，輻射的X射線總能量是它的可見光的數千倍。隨後很快NRL組發現瞭蟹狀星雲的X輻射，比太陽的X射線發射要強100億倍。以後的4年中用火箭和氣球實驗發現瞭大約50個新天體，揭示瞭一種新的未預見過的天體類別的存在。1970年10月美國發射第一個X射線天文衛星“自由”號(UHURU)，X射線天文學從而進入衛星觀測時代，至今已有幾十顆專用X射線天文衛星升天，X射線天文學以驚人的發展速度獲得瞭前所未有的巨大成就。
探測技術和方法 利用高能光子和物質的相互作用原理構造探測器，主要的作用過程有光電效應、康普頓效應和正負電子對產生效應。電子對產生的閾能已到高於1兆電子伏的γ射線，會湮沒產生511千電子伏的一對正負電子。根據觀測能區和觀測對象，可選擇的探測器有氣體探測器、閃爍探測器和半導體探測器等類型，按需要構造成譜儀、定位或成像設備。X射線源的輻射能量雖強，因為單個光子的能量高，探測以粒子形態計數，到達地球的可測計數並不高。因此X射線天文觀測的定位或成像觀測比光學的難度大。
采用準直型粒子探測器的向源背景觀測，或用掃描的方法可實現對點源的空間定位，自由號衛星上裝有兩個840厘米2的鈹(Be)窗正比計數器，觀測能區2～10千電子伏，利用衛星自轉的姿控方式對天區掃描，發現瞭339個X射線點源，編出瞭第一個宇宙X射線點源目錄。以後，隨著成像技術的發展，向源背景觀測方法主要被用於對特定天體或天區特性的詳細研究。對軟X射線的成像可利用光學原理，賈科尼等從1960年開始提出和發展瞭掠射成像望遠鏡技術，在一個較小的視場內，射線以大角度先後入射到拋物面和雙曲面結構的鏡面上，然後以大角度反射並聚焦，在焦平面上放上位置靈敏探測器，如CCD照相機、微通道板探測器、正比計數器等，便可直接成像，角分辨好，但視場小（約1°～2°），適用於0.1～10千電子伏能區，用PN–CCD新技術可把探測能區提高到20千電子伏左右。第一個成像X射線望遠鏡愛因斯坦衛星發射於1978年，空間分辨2角秒。以後相繼發射瞭歐洲X射線觀測站衛星(EXOSAT)、倫琴衛星(ROSAT)和最近的錢德拉、牛頓X射線多鏡(XMM)衛星（1999年），角分辨最好已到0.5角秒，最大面積4 000厘米2，至今已發現的X射線源有100多萬個。實現硬X射線成像困難較大，隻能采用調制成像技術，用探測器加旋轉準直器，或編碼孔徑加位置靈敏探測器記錄下經過調制的天區強度分佈，通過對觀測數據的後處理解調，實現在較寬視場下對天體的定位或天區成像，精度比掠射成像要差。1979年日本發射的自旋穩定的小衛星“天鵝”首次實現瞭旋轉調制成像，定位精度幾個角分。2002年發射的國際γ天體物理實驗室“INTEGRAL”，用瞭多個編碼孔成像設備，能量跨度15千電子伏至10兆電子伏，實現瞭X射線、γ射線和光學輻射在一顆衛星上的同時觀測。
X射線星空 X射線天文的一系列重大發現展示瞭一個以X射線輻射為主的完全不同於光學觀測的宇觀世界。X射線由高能粒子產生，輻射區必定與宇宙中的熱斑相伴，或有超高溫度，或有高能粒子在超強磁場、超強引力場下被加速。X射線天文對中子星物理、黑洞附近的物理、熱星系際氣體物理提供瞭本質性的研究依據。X射線有較強的穿透力，可反映出發生在天體深處的物理過程。
太陽一類的恒星在寧靜期的X射線輻射流量很小，主要表現為與光學耀斑爆發同步的X射線耀斑，1～0.8納米軟X射線耀斑的強度分類已被用作空間天氣預報的標準級別。一個特大的軟X射線耀斑可導致地球上的短波通信中斷。硬X射線耀斑有非熱冪律譜，能譜陡，不僅與太陽黑子區的高能電子有關，還與高能質子的運動有關，從而又有太陽質子事件之稱。
銀河系內存在大量雙星X射線源，以高能過程為主要特征，時間尺度往往很短，說明其中存在非常致密的天體，有著極強的引力和磁場，可把粒子加速到相對論的能量：其中有一類是雙星X射線脈沖星，主星是致密的磁中子星，如武仙座X–1；還有少數雙星的致密主星的質量大於三倍太陽質量，如天鵝座X–1(CygX–1)等，其X輻射強，有不規則劇烈光變，被認為是黑洞附近的吸積物質的擾動形成的輻射，可提供最有希望的方式研究宇宙中的黑洞的存在、性質和效應。觀測表明，超新星爆發的沖擊波會把星際氣體加熱而輻射X射線，爆發的物質會發出X射線、γ射線和鐵核譜線，最後留下的是急速旋轉的高度磁化的中子星，直徑隻有20千米左右，是一個被X射線超新星遺跡所圍繞的脈沖星。脈沖星極冠處的高能電子的同步加速輻射可產生從光學直至X射線、γ 射線波段的電磁輻射。錢德拉衛星拍攝的蟹狀星雲X射線照片，首次揭示瞭發生在深層的這種隻有X射線圖像能夠反映的相互作用（見圖）。X射線天文發現瞭溫度可到幾億度的等離子體；從已發現的X射線天體中，可看到活動星冕，看到非常熱的恒星伴有巨大的熱氣體區。
錢德拉衛星觀測的蟹狀星雲X射線圖像（從中心脈沖星發出的X射線噴註和啞鈴狀的光環，直徑1光年）
在星系和更大的尺度上，X射線天文也向人類展示瞭一個大尺度結構的X射線星空，星系和星系團中的活動星系核(AGN)，包括強射電星系（如室女座A等）、賽弗特星系（如NGC1275、NGC4151等）和類星體（如3C273、3C279等）均為著名的X射線源。所有活動星系的中心都可被看作是質量非常大的黑洞，可包含1億個太陽質量，吞噬著大量的星系氣體，形成恒星質量的黑洞，類星體(QSO)是其中的典型。發現瞭300個以上的X射線星系團，室女(Virgo)星系團的最強X射線源延伸達1°，星系M87位於其中，估計每個星系平均的X射線光度在1037焦/秒以上。已觀測到星系際氣體從星系團流出，提供瞭關於暗物質性質的證據。
關於宇宙X射線彌漫背景的本質，倫琴衛星測出0.5千電子伏、0.75千電子伏的背景輻射天圖，認為60％來自於類星體和活動星系核。錢德拉衛星在高一些能量上的觀測獲得重大突破，證實瞭X射線在整個宇宙普遍發光，其中80%來自分立天體。與光學觀測聯合分析，發現瞭兩類新天體，對X射線背景輻射的貢獻各占1/3。其中一類是有強X射線發射但弱光學亮度的“隱星系核”星系，在全天約有7 000萬之多，可肯定是重質量黑洞；另一類是沒有可見光發射或光學亮度極弱的超弱星系，紅移值高到6以上，說明遠在140億光年以外，是宇宙最早期的最遙遠的天體。
40多年來X射線天文學所取得的成果是劃時代的，現正處在巔峰時期，今後的方向將是在更高靈敏度、角分辨的觀測和對特定類型天體輻射特征的研究。
推薦書目
王綬琯, 周又元. X射線天體物理學. 北京: 科學出版社, 1999.