光譜學是研究光光譜的學科。當光線穿過棱鏡或繞射光柵時，會分解成不同的波長。由此產生的光譜包含稱為吸收線的暗線和稱為發射線的亮線。每種元素都會產生獨特的譜線圖案。透過解讀這些譜線圖案，天文學家可以確定恆星、星系或行星的組成成分。

這項技術由古斯塔夫·基爾霍夫和羅伯特·本生於19世紀發展起來，他們證明每種元素都有其獨特的光譜特徵。天文學家迅速將其應用於太陽研究，並在地球上發現氦氣之前就發現了太陽上的氦。自此，光譜學成為天文學中最重要的工具。

光譜學揭示的遠不止天體的成分。譜線的偏移揭示了天體的運動；譜線的展寬揭示了溫度和壓力；譜線的分裂揭示了磁場；連續光譜的形狀揭示了塵埃的存在。天文學家對天體物理性質的幾乎所有了解都來自光譜學。

現代光譜儀極為靈敏。它們可以透過測量恆星的擺動來探測行星。它們可以測量宇宙的膨脹。它們可以搜尋系外行星大氣層中的生物特徵。光譜就像宇宙的條碼，而天文學家已經學會了解讀它。