Spektroskopi, ışık spektrumlarının incelenmesidir. Işık bir prizmadan veya kırınım ızgarasından geçtiğinde, bileşen dalga boylarına ayrılır. Ortaya çıkan spektrum, soğurma çizgileri adı verilen koyu çizgiler veya emisyon çizgileri adı verilen parlak çizgiler içerir. Her element benzersiz bir çizgi deseni üretir. Gökbilimciler bu desenleri okuyarak bir yıldızın, galaksinin veya gezegenin neyden oluştuğunu belirleyebilirler.

Bu teknik, 19. yüzyılda Gustav Kirchhoff ve Robert Bunsen tarafından geliştirildi ve her elementin kendine özgü bir spektral parmak izine sahip olduğunu gösterdiler. Gökbilimciler bunu hızla Güneş'e uygulayarak, helyumu Dünya'da bulunmadan önce keşfettiler. O zamandan beri spektroskopi, astronomideki en önemli araç haline geldi.

Spektroskopi, bileşimden çok daha fazlasını ortaya koyar. Spektral çizgilerin kayması hareketi gösterir. Çizgilerin genişlemesi sıcaklık ve basıncı gösterir. Çizgilerin ayrılması manyetik alanları gösterir. Sürekliliğin şekli tozun varlığını gösterir. Gökbilimcilerin gök cisimlerinin fiziksel özellikleri hakkında bildikleri hemen hemen her şey spektroskopiden gelir.

Modern spektrograflar inanılmaz derecede hassastır. Bir yıldızın salınımını ölçerek gezegenleri tespit edebilirler. Evrenin genişlemesini ölçebilirler. Ötegezegen atmosferlerinde biyolojik izler arayabilirler. Spektrum, kozmik bir barkoddur ve gökbilimciler onu okumayı öğrenmişlerdir.