觀測和研究發生在宇宙空間和高能天體上的γ射線輻射過程的學科。覆蓋硬X射線能量以上的整個高能電磁輻射能區（約105～1021電子伏）。天體過程中的核γ譜線的能量與元素的成分有關，是原子核能級躍遷或放射性衰變的產物，一般在數十千電子伏至十兆電子伏量級。能產生γ射線連續譜的都是非熱物理過程。由於低能區的軟γ射線可與XX射線起源於相同的物理過程，如同步輻射、逆康普頓輻射等，因而與硬X射線沒有明顯邊界。γ射線的產生和高能電子直接關聯，能量高於100兆電子伏的高能γ光子則與高能質子、宇宙線的作用過程密切關聯。γ射線有極強的穿透力，運動方向不受磁場的幹擾，能直接給出高能宇宙線在起源處的信息，因此γ天文學也是研究宇宙中高能粒子的重要工具。能量在105～1021電子伏上下幾個量級的γ射線會因為與星光、微波背景等背景光子的光致電子對產生作用而不能到達地球，宇宙對這一能段的光子是不透明的。
發展簡況 從1948年開始就有人陸續在高空氣球或火箭上進行宇宙γ射線探測，但都未獲成功。1961年4月27日美國發射第一個探測宇宙γ射線的衛星“探索者”11號，共測到22個來自天空各個方向的γ射線事例，被認為是γ射線天文的開端。1969年開始的維拉系列衛星上放置瞭低能γ射線探測器，1972年宣佈發現瞭宇宙γ射線暴。1972年11月美國發射第一顆高能γ射線專用小天文衛星SAS2，發現瞭與銀河結構相關的彌漫γ射線背景發射。1975年8月至1982年4月，歐洲空間局發射的γ射線天文衛星COS-B，用火花室測量50兆電子伏至5千兆電子伏的高能γ射線，用7年時間共獲得全天20萬個高能光子，作出瞭銀河坐標的γ射線天圖，發現瞭蟹狀星雲等20多個高能γ射線點源結構，其中的CG195是第一個高能γ射線點源。1991年4月至2000年6月美國康普頓γ射線觀測站(CGRO）上放置的4個探測器，即γ射線暴探測器(BATSE)、指向閃爍探測器(OSSE)、成像康普頓望遠鏡(COMPTEL)、高能γ射線實驗望遠鏡(EGRET)，覆蓋能區30千電子伏至30吉電子伏，取得瞭一系列重要成果。2002年10月，歐洲空間局又發射瞭國際γ射線天體物理實驗室(INTEGRAL)，重點對15千電子伏至10兆電子伏能區的能譜測量和天區成像，並包括X和光學波段的協同監測。至今40多年的觀測，向人類展現瞭一個變化著的γ射線星空，其來源可從現在一直追溯到宇宙早期。
特點 γ射線天文觀測的難度比其他波段要大得多：一是因為光子的能量越高，流量越低；二是因為光子的穿透率極強，探測效率受到影響；三是可用的探測技術限制瞭儀器的角分辨能力，定向困難；四是能量跨度大，不同能量的光子產生機理很不相同，采用的方法和觀測的進展也就不同。
觀測技術 至今衛星上的γ射線探測可到10吉電子伏。對兆電子伏左右的軟γ射線的探測可采用與硬X天文類似的探測器和方法。如用閃爍探測器構造位置靈敏探測器，用編碼孔成像方法實現成像；用半導體探測器測量能譜等。能量高些，在CGRO衛星上曾用雙康普頓譜儀對0.8～30兆電子伏能區的γ射線粗略成像。正負電子對產生的作用截面隨γ射線能量的增高而增大，電子對的張角隨之減小。利用這一特點，對大於50兆電子伏的γ射線，可用火花室、漂移室測量電子對的張角，用量能器測電子對的能量，以此確定入射光子方向和能量。如CGRO上的EGRET，觀測能區0.03～10吉電子伏在0.1吉電子伏和1吉電子伏時的角分辨分別為2.8°和0.6°。100吉電子伏以上的甚高能γ射線可用地面的切倫科夫探測器進行觀測。高能光子在進入地球大氣層後會產生電磁級聯，其中的次級電子會產生切倫科夫輻射，通過測量可判知入射光子的方向和能量。
主要成果 太陽的γ射線發射主要來自一類被稱作太陽質子事件的高能太陽耀斑，它們出現於光學耀斑的初始階段，與脈沖射電爆發、硬X射線爆發緊密相聯系。γ射線連續譜的通量下降很快。有的太陽質子事件還有核譜線發射，1972年8月4日和7日兩次太陽強耀斑事件上發現瞭511千電子伏的正負電子湮沒線，2.23兆電子伏中子–質子俘獲線，以及4.4兆電子伏（碳原子）和6.1兆電子伏（氧原子）的核激發退激譜線。
EGRET測到的γ射線星空，271個點源，銀道面的彌漫背景成分和高銀緯處反映出來的各向同性的背景成分
對兆電子伏能區非太陽譜線的主要觀測成果，除瞭銀心方向的511千電子伏譜線以外，要數COMPTEL望遠鏡發現並測量到的1.8兆電子伏譜線及其銀河坐標天圖。該譜線是鋁的放射性同位素26Al的衰變產物，分佈表明26Al和銀河系中的重質量恒星區域成協，應該是恒星核綜合過程的產物。
在兆電子伏能區，一個最重要的成果是宇宙γ射線暴(GRB)的發現和觀測研究，γ射線暴隨機出現，流量上升快，持續短，暴源尺度小，BATSE作出瞭2 704個γ射線暴的天球分佈，確認瞭它們在全天的各向同性和視向的不均勻分佈。1997年意大利BeppoSax衛星首次發現瞭宇宙γ射線暴的軟X射線餘輝，以後全球的多波段聯合觀測獲得瞭光學和射電餘輝，並得到瞭40多個GRB宿主星系的紅移，說明GRB是發生在河外星系中的恒星量級的爆發。所得的紅移值都大於0.2，如果能得到更多的測量樣本的確認，這將說明GRB產生於早期宇宙中而不是現在。見γ射線暴。
在50兆電子伏以上的高能γ射線能區，EGRET觀測已可全面地描述一個γ射線星空（見圖）。銀面上一個很強的彌漫γ射線分佈，主要來自於宇宙線和銀河系星際物質的相互作用，以及銀河系氫分子雲的分佈有相當的關聯。從高銀緯處可看到存在於全天區的一個很弱的各向同性彌漫背景發射，現認為是河外活動星系核的貢獻。在γ射線點源的研究中，發現瞭CG195是銀河系最亮的γ射線脈沖星，除X射線波段有脈沖光度外，光學和射電都沒有發射；確認瞭蟹狀星雲是從射電直至高能γ輻射能譜分佈最寬的脈沖星。令人意外的是，EGRET共發現瞭271個γ射線點源，在其中已經證認的101個源中，隻有5個是射電脈沖星，比預想的數量少得多。然而有93個是未曾預想到的蠍虎座(BL Lac)活動星系核，又稱Blazar，如2C279、3C273等。它們都是高能γ射線變源，強射電星系，具有高光度和光度的劇烈變化，核心有相對論噴註，有非熱能譜。這說明γ射線星空在不斷地變化。
100千兆電子伏以上的能區，通過地面設備觀測，共發現分立γ射線點源18個，如超新星遺跡蟹狀星雲、維拉等，雙星CenX–3，射電星系M87,Blazer Mrk421、Mrk501等。
γ射線天文學的發展期待著探測技術的變革，能量分辨和角分辨的提高以及觀測面積的擴大。已經將上天的衛星有測量γ射線暴的SWIFT、高能γ射線衛星GLAST等。γ射線天文學領域仍有許多留待人類填補的空白和問題。