A spektroszkópia a fényspektrumok tanulmányozása. Amikor a fény áthalad egy prizmán vagy diffrakciós rácson, összetevő hullámhosszaira terjed. A kapott spektrum sötét vonalakat, úgynevezett abszorpciós vonalakat vagy világos vonalakat, úgynevezett emissziós vonalakat tartalmaz. Minden elem egyedi vonalmintázatot hoz létre. Ezen mintázatok leolvasásával a csillagászok meghatározhatják, hogy miből áll egy csillag, galaxis vagy bolygó.

A technikát a 19. században Gustav Kirchhoff és Robert Bunsen fejlesztette ki, akik kimutatták, hogy minden elemnek jellegzetes spektrális ujjlenyomata van. A csillagászok gyorsan alkalmazták a Napon, és a héliumot még a Földön való megjelenése előtt felfedezték. Azóta a spektroszkópia a csillagászat legfontosabb eszközévé vált.

A spektroszkópia többet árul el a pusztán összetételnél. A spektrumvonalak eltolódása a mozgást mutatja. A vonalak kiszélesedése a hőmérsékletet és a nyomást mutatja. A vonalak felhasadása a mágneses mezőket mutatja. A kontinuum alakja a por jelenlétét mutatja. A csillagászok szinte mindent, amit az égitestek fizikai tulajdonságairól tudnak, spektroszkópiából szereznek.

A modern spektrográfok hihetetlenül érzékenyek. Képesek bolygókat észlelni egy csillag imbolygásának mérésével. Mérni tudják az univerzum tágulását. Bioszignatúrákat kereshetnek az exobolygók légkörében. A spektrum egy kozmikus vonalkód, és a csillagászok megtanulták leolvasni.