יש שם יקום נסתר - כזה שמקרין באורכי גל של אור שבני אדם אינם יכולים לחוש. אחד מסוגי הקרינה הללו הוא ספקטרום רנטגן. צילום רנטגן מוחלף על ידי חפצים ותהליכים חמים ואנרגטיים במיוחד, כמו סילוני חומר מחוממים-על ליד חורים שחורים וה פיצוץ של כוכב ענק שנקרא סופרנובה. קרוב יותר לבית, שמש שלנו פולטת צילומי רנטגן, כמו גם שביטים כאשר הם נתקלים ברוח השמש. המדע של אסטרונומיה רנטגן בוחן עצמים ותהליכים אלה ומסייע לאסטרונומים להבין מה קורה במקום אחר בקוסמוס.
מקורות רנטגן פזורים ברחבי היקום. האטמוספירה החיצונית של הכוכבים הם מקורות אדירים לצילומי רנטגן, במיוחד כאשר הם מתלקחים (כפי שעושה השמש שלנו). התלקחויות רנטגן הינן אנרגטיות להפליא ומכילות רמזים לפעילות המגנטית במשטח הכוכב ובסביבתו התחתונה ובסביבתה. האנרגיה הכלולה באותם התלקחויות מספרת גם לאסטרונומים משהו על הפעילות האבולוציונית של הכוכב. כוכבים צעירים עסוקים גם בפולטות רנטגן מכיוון שהם הרבה יותר פעילים בשלבים המוקדמים שלהם.
כשכוכבים מתים, במיוחד המסיביים ביותר, הם מתפוצצים כסופרנובות. אירועים קטסטרופלים אלה מפטרים כמויות אדירות של קרינת רנטגן, המספקות רמזים לגורמים הכבדים הנוצרים במהלך הפיצוץ. תהליך זה יוצר אלמנטים כמו זהב ואורניום. הכוכבים המסיביים ביותר יכולים להתמוטט ולהפוך לכוכבי נויטרונים (שגם מפטרים צילומי רנטגן) וחורים שחורים.
צילומי הרנטגן הנפלטים מאזורי חור שחור אינם נובעים מהייחודיות עצמם. במקום זאת, החומר שנאסף על ידי קרינת החור השחור יוצר "דיסק התקרחות" שמסתובב חומר לאט לתוך החור השחור. תוך כדי סיבובו נוצרים שדות מגנטיים המחממים את החומר. לעיתים חומר בורח בצורת סילון המונטר על ידי השדות המגנטיים. מטוסי חור שחור פולטים גם כמויות כבדות של צילומי רנטגן, וכך גם חורים שחורים על-מסיביים במרכז הגלקסיות.
במקבצי גלקסיות יש לעיתים קרובות ענני גז מחוממים מעל הגלקסיות האישיות שלהם. אם הם מתחממים מספיק, העננים האלה יכולים לפלוט צילומי רנטגן. אסטרונומים מתבוננים באזורים אלה בכדי להבין טוב יותר את התפלגות הגז באשכולות, כמו גם את האירועים המחממים את העננים.
תצפיות רנטגן על היקום והפרשנות של נתוני רנטגן מהווים ענף אסטרונומיה צעיר יחסית. מכיוון שצילומי רנטגן נקלטים ברובם באטמוספירה של כדור הארץ, זה לא היה עד שמדענים יכלו לשלוח רקטות נשמעות בלונים עמוסי מכשירים גבוה באטמוספרה שהם יכולים לבצע מדידות מפורטות של הרנטגן "מואר" חפצים. הרקטות הראשונות עלו בשנת 1949 על סיפון רקטת V-2 שנלכדה מגרמניה בסוף מלחמת העולם השנייה. הוא זיהה צילומי רנטגן מהשמש.
הדרך הטובה ביותר ללמוד חפצי רנטגן לטווח הארוך היא להשתמש בלווייני חלל. מכשירים אלה אינם צריכים להילחם בהשפעות האטמוספרה של כדור הארץ והם יכולים להתרכז ביעדים שלהם לפרקי זמן ארוכים יותר מאשר בלונים ורקטות. הגלאים המשמשים באסטרונומיה של הרנטגן מוגדרים למדידת האנרגיה של פליטת הרנטגן על ידי ספירת מספר הפוטונים של הרנטגן. זה נותן לאסטרונומים מושג על כמות האנרגיה שנפלטת מהאובייקט או האירוע. היו לפחות ארבעה תריסר מצפות רנטגן שנשלחו לחלל מאז שנשלח המסלול הראשון החוצה מסלול חופשי, המכונה מצפה הכוכבים איינשטיין. זה הושק בשנת 1978.
בין המצפים הידועים ביותר לצילומי רנטגן ניתן למנות את לוויין Röntgen (ROSAT, שהושק בשנת 1990 והופעל בשנת 1999), EXOSAT (שהושק על ידי החלל האירופי הסוכנות בשנת 1983, הופעלה ב -1986), סייר התזמון הרוסי של נאס"א, סייר הרנטגן של ה- XMM, ה- XMM-Newton האירופי, הלוויין של סוזאקו היפני, וה- Xandra X-Ray מצפה כוכבים. צ'נדרה, על שם האסטרופיזיקאי ההודי סובראחמניאן צ'נדרסכר, הושק בשנת 1999 וממשיך לתת תצוגות ברזולוציה גבוהה של היקום הרנטגן.
הדור הבא של טלסקופי הרנטגן כולל את NuSTAR (שהושק בשנת 2012 ועדיין פועל), Astrosat (שהושק על ידי ההודי הארגון לחקר החלל), לוויין AGILE האיטלקי (העומד כ- Astro-rivelatore Gamma ad Imagini Leggero), שהושק ב- 2007. אחרים מתכננים להמשיך את מבט האסטרונומיה על קוסמוס הרנטגן ממסלול כדור הארץ קרוב.