Ada alam semesta tersembunyi di luar sana — yang terpancar dalam panjang gelombang cahaya yang tidak bisa dirasakan manusia. Salah satu jenis radiasi ini adalah spektrum x-ray. Sinar-X dilepaskan oleh benda-benda dan proses yang sangat panas dan energik, seperti pancaran material yang sangat panas di dekat lubang hitam dan ledakan bintang raksasa yang disebut supernova. Lebih dekat ke rumah, Matahari kita memancarkan sinar-x, seperti halnya komet saat mereka menemukan angin matahari. Ilmu astronomi x-ray meneliti objek dan proses ini dan membantu para astronom memahami apa yang terjadi di tempat lain di kosmos.
Sumber sinar-X tersebar di seluruh alam semesta. Atmosfer luar panas bintang-bintang adalah sumber sinar-X yang luar biasa, terutama ketika mereka menyala (seperti Matahari kita). Suar sinar-X sangat energik dan mengandung petunjuk aktivitas magnetik di dalam dan di sekitar permukaan bintang dan atmosfer yang lebih rendah. Energi yang terkandung dalam suar itu juga memberi tahu para astronom tentang aktivitas evolusi bintang. Bintang muda juga merupakan penghasil sinar-X yang sibuk karena mereka jauh lebih aktif di tahap awal.
Ketika bintang mati, terutama yang paling masif, mereka meledak sebagai supernova. Peristiwa-peristiwa bencana itu mengeluarkan radiasi sinar-x dalam jumlah besar, yang memberikan petunjuk pada elemen-elemen berat yang terbentuk selama ledakan. Proses itu menciptakan unsur-unsur seperti emas dan uranium. Bintang yang paling masif dapat runtuh menjadi bintang neutron (yang juga menghasilkan sinar-x) dan lubang hitam.
Sinar-X yang dipancarkan dari daerah black hole tidak berasal dari singularitas itu sendiri. Sebaliknya, materi yang dikumpulkan oleh radiasi lubang hitam membentuk "piringan akresi" yang memutar materi secara perlahan ke lubang hitam. Saat berputar, medan magnet dibuat, yang memanaskan material. Terkadang, materi keluar dalam bentuk jet yang disalurkan oleh medan magnet. Jet lubang hitam juga memancarkan sinar-X dalam jumlah besar, seperti halnya lubang hitam supermasif di pusat galaksi.
Cluster galaksi sering memiliki awan gas super panas di dalam dan sekitar galaksi masing-masing. Jika mereka menjadi cukup panas, awan-awan itu dapat memancarkan sinar-x. Para astronom mengamati daerah-daerah itu untuk lebih memahami distribusi gas dalam kelompok, serta peristiwa yang memanaskan awan.
Pengamatan sinar-X dari alam semesta dan interpretasi data sinar-X terdiri dari cabang astronomi yang relatif muda. Karena sinar-X sebagian besar diserap oleh atmosfer Bumi, tidak sampai para ilmuwan dapat mengirim roket dan suara balon sarat instrumen tinggi di atmosfer sehingga mereka dapat membuat pengukuran detail x-ray "cerah" benda. Roket pertama naik pada tahun 1949 dengan roket V-2 yang ditangkap dari Jerman pada akhir Perang Dunia II. Ini mendeteksi sinar-x dari Matahari.
Cara terbaik untuk mempelajari objek x-ray dalam jangka panjang adalah dengan menggunakan satelit ruang. Instrumen ini tidak perlu melawan efek atmosfer Bumi dan dapat berkonsentrasi pada target mereka untuk jangka waktu yang lebih lama daripada balon dan roket. Detektor yang digunakan dalam astronomi x-ray dikonfigurasikan untuk mengukur energi emisi x-ray dengan menghitung jumlah foton x-ray. Itu memberi para astronom gagasan tentang jumlah energi yang dipancarkan oleh objek atau peristiwa. Setidaknya ada empat lusin observatorium x-ray yang dikirim ke luar angkasa sejak yang pertama yang mengorbit bebas, yang disebut Observatorium Einstein. Diluncurkan pada tahun 1978.
Di antara observatorium sinar-X yang paling terkenal adalah Satelit Röntgen (ROSAT, diluncurkan pada 1990 dan dinonaktifkan pada 1999), EXOSAT (diluncurkan oleh European Space Agensi pada tahun 1983, dinonaktifkan pada tahun 1986), Penjelajah Waktu Sinar-X Rossi NASA, XMM-Newton Eropa, satelit Suzaku Jepang, dan Chandra X-Ray Observatorium. Chandra, nama untuk Ahli astrofisika India, Subrahmanyan Chandrasekhar, diluncurkan pada tahun 1999 dan terus memberikan tampilan resolusi tinggi dari alam semesta x-ray.
Generasi teleskop x-ray berikutnya termasuk NuSTAR (diluncurkan pada 2012 dan masih beroperasi), Astrosat (diluncurkan oleh India) Organisasi Penelitian Luar Angkasa), satelit AGILE Italia (yang merupakan singkatan dari Astro-rivelatore Gamma ad Imagini Leggero), diluncurkan pada 2007. Yang lain sedang dalam perencanaan yang akan melanjutkan pandangan astronomi pada kosmos x-ray dari orbit dekat-Bumi.