高能天体物理是当代天文学研究的热点之一。在X射线与伽玛射线的天空里，从双致密星的死亡之舞，到星系中心的特大质量黑洞，最狂暴的天体现象纷纷上演。但是，探查极端宇宙并非易事，一般除了要进入太空来回避地球大气的吸收之外，还要准备专门的高能光子探测器。这些高能探测器无论是工作原理还是外观，都与常人印象中的望远镜相去甚远。
光学望远镜是通过反射或折射来汇聚光线并成像的，就算波长拓展到红外或射电波段，相应的仪器也还是利用反射面来聚焦天体辐射。但是在电磁波谱的另一端，一旦跨入波长短于数十纳米、单个光子能量超过数十电子伏特的极紫外区域，传统意义的聚焦就难以为继了。这些极紫外或X射线辐射可以直接穿透物质或被吸收，从而让我们熟悉的折射或反射失效。
但如同石子在高速掠过水面时可以弹起一般，近乎平行于反射镜入射（即掠射）的X射线光子也能被全反射出去。只要选择X射线吸收率较低的材料来建造反射镜，并合理组合镜面形状，即可制成X射线聚焦望远镜。X射线聚焦望远镜最经典的布局就是下图所示的光路，掠射光依次经过抛物面和双曲面，抵达焦面。如果将多组镜面组合成套筒，更能在有限的体积内有效提升望远镜的集光面积。
图中描绘了4层彼此嵌套的反射镜，与美国航天局的钱德拉X射线天文台结构相同。当光子能量继续增高，达到硬X射线或软伽玛射线的范畴时，掠射也无济于事，我们要换用无聚焦的编码掩模来开展观测。简单说来，掩模本体由对高能光子透明与不透明的金属掩模元交替排列而成，凭借接收端仪器上掩模元投影的位置与强度分布，即可推知辐射源的真实影像。然而，想要接收的光子能段越高，掩模元就必须做得越厚重，直到超过火箭的运载能力。
为了瞥见能量更高的硬伽玛射线，人们转而利用光的粒子性。其探测原理包括高能光子激发荧光材料释放闪光，高能光子在半导体内部生成电子-空穴对，以及高能光子与物质层板相互作用后转化为正负电子等。这些原理分别对应闪烁体、半导体和粒子对产生探测器，其性能与适用场合各有千秋。但是除了伽玛光子，带电的宇宙线同样会让这些探测器记录下类似的信号，因此这时包裹在探测器外部的屏蔽层必不可少。
到了能量最高的特高能区（单个光子能量可达可见光的数万亿倍），源于天体的光子数量稀少，空间探测并不划算，所以相关观测更适合在地面进行。这时，就可以利用大气对高能光子的吸收：入射光子将能量转移给大气原子，导致后者破碎，并引发级联式簇射，涌出大批能量逐级递减的粒子。如果初期转移的能量足够大，让簇射粒子的飞行速度超过空气中的光速，粒子就会产生切伦科夫辐射，类似飞行器突破音障时的音暴。
这种幽暗的辉光就是大气成像切伦科夫望远镜的目标，根据切伦科夫光的方向和分布即可反推伽玛源的信息。
除以上所述天文探测器外，新型仪器的开发也在陆续进行着，如借助晶体衍射来聚焦伽玛射线的劳厄透镜探测器、视场超大的龙虾眼式掠射光路、高灵敏度的多层硅片孔隙式掠射镜，等等。可以预见，随着探测器技术的日新月异，宇宙最极端的一面将更加清晰地展现在世人面前。