Коллапс ядер массивных звезд и слияния компактных релятивистских звезд сопровождаются быстрым выделением огромной энергии — порядка энергии покоя звезды. Вспышки сверхновых и гамма-всплески, связанные с этими процессами, наблюдаются современными телескопами практически ежедневно. Излучение от таких источников наблюдается во всем диапазоне электромагнитного спектра, детектированы нейтрино от сверхновой 1987A и гравитационные волны от слияния релятивистских звезд. Наряду с быстропеременными и транзиентными событиями, существенно более длительное время высокую светимость в рентгеновском и гамма-диапазонах демонстрируют релятивистские компактные остатки коллапсировавшей звезды: аккрецирующие черные дыры и быстро вращающиеся пульсары. Крабовидная туманность и пульсары в двойных гамма источниках являются замечательными галактическими лабораториями, где можно изучать релятивистские ветры, работающие как космические ускорители частиц высоких энергий. Исследование физических процессов, приводящих к преобразованию гравитационной и вращательной энергии релятивистских объектов в мощное электромагнитное излучение и потоки нейтрино высоких энергий представляют уникальные возможности проверки фундаментальных законов физики в экстремальных условиях, недостижимых в лабораторных экспериментах на Земле. В работе представлен краткий обзор результатов наблюдений и моделирования нетепловых процессов в космических источниках высокоэнергичного излучения и обсуждаются перспективы развития этих исследований.