光谱学是研究光光谱的学科。当光穿过棱镜或衍射光栅时，会分解成不同的波长。由此产生的光谱包含称为吸收线的暗线和称为发射线的亮线。每种元素都会产生独特的谱线图案。通过解读这些谱线图案，天文学家可以确定恒星、星系或行星的组成成分。

这项技术由古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生于19世纪发展起来，他们证明每种元素都有其独特的光谱特征。天文学家迅速将其应用于太阳研究，并在地球上发现氦之前就发现了太阳上的氦。自此，光谱学成为天文学中最重要的工具。

光谱学揭示的远不止是天体的成分。谱线的偏移揭示了天体的运动；谱线的展宽揭示了温度和压力；谱线的分裂揭示了磁场；连续谱的形状揭示了尘埃的存在。天文学家对天体物理性质的几乎所有了解都来自光谱学。

现代光谱仪极其灵敏。它们可以通过测量恒星的摆动来探测行星。它们可以测量宇宙的膨胀。它们可以搜寻系外行星大气层中的生物特征。光谱就像宇宙的条形码，而天文学家已经学会了解读它。