นักดาราศาสตร์ทำการศึกษาวัตถุท้องฟ้า โดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัตถุแผ่รังสีออกมา การวิเคราะห์สเปกตรัมทำให้เราทราบถึง คุณสมบัติทางกายภาพซึ่งได้แก่ อุณหภูมิ พลังงาน องค์ประกอบทางเคมี รวมทั้งความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ อย่างไรก็ตามในการศึกษาสเปกตรัม สิ่งแรกที่เราจะต้องทำความรู้จักคือ นิยามของวัตถุดำ
วัตถุดำ (Blackbody) ไม่ได้หมายถึงวัตถุสีดำ แต่เป็นวัตถุในอุดมคติ (Ideal) ซึ่งมีคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีทุกชนิด มันจึงไม่สามารถสะท้อนแสงได้ อย่างไรก็ตามวัตถุดำจะแผ่รังสีออกจากตัวของมันเอง เมื่อรังสีถูกหักเหด้วยแท่งแก้วปริซึมหรือแผ่นเกรตติ้ง ก็จะให้แถบสเปกตรัมต่อเนื่อง วัตถุที่มีคุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับวัตถุดำได้แก่ โลหะไส้หลอดสูญญากาศ เป็นต้น
ในปี ค.ศ.​1672 เซอร์ไอแซค นิวตัน ได้ทำการทดลองโดยใช้แท่งแก้วปริซึมหักเหแสงอาทิตย์ ให้แยกออกเป็นแถบแสงสีรุ้ง ซึ่งเรียกว่า "สเปกตรัม" ต่อมาในปี ค.ศ.1814 โจเซฟ ฟอน ฟรังโฮเฟอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทำการทดลองซ้ำโดยใช้แผ่นเกรตติ้งแทนแท่งแก้วปริซึมหักเหแสงอาทิตย์ เขาพบเส้นมืดปรากฏบนแถบสเปกตรัมมากกว่า 600 เส้น ดังภาพที่ 1 (ในปัจจุบันตรวจพบมากกว่า 30,000 เส้น) นักเคมีในยุคต่อมาเรียกเส้นมืดเหล่านี้ว่า เส้นดูดกลืน (Absorption lines) ธาตุแต่ละชนิดทำให้เกิดเส้นดูดกลืนที่แตกต่างกัน

ภาพที่ 1 สเปกตรัมของแสงอาทิตย์

ปี ค.ศ.1859 โรเบิร์ต บุนเซน และ กุสตาฟ เคิร์ชฮอฟ นักเคมีชาวเยอรมันได้ทำการทดลองเผาแก๊สร้อน แล้วพบว่า แสงจากแก๊สร้อนทำให้เกิดเส้นสว่างบนแถบสเปกตรัม สเปกตรัมของแก๊สแต่ละชนิดมีจำนวนและตำแหน่งของเส้นสว่างแตกต่างกัน เราเรียกเส้นสว่างนี้ว่า “เส้นแผ่รังสี” (Emission lines) ในเวลาต่อมา เคิร์ชฮอฟ ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่าง เส้นดูดกลืนและเส้นแผ่รังสี ตามกฎของเคิร์ชฮอฟ (Kirchhoff’s laws) ดังนี้
1. การแผ่รังสีของวัตถุดำ ทำให้เกิดสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum)
2. การแผ่รังสีของแก๊สร้อน ทำให้เกิดสเปกตรัมแผ่รังสี (Emission spectrum) ปรากฏเป็นเส้นสีสว่างบนแถบมืด
3. แก๊สเย็นขวางกั้นการแผ่รังสีจากวัตถุดำ ทำให้เกิดสเปกตรัมดูดกลืน (Absorption spectrum) ปรากฏเป็นเส้นมืดบนแถบสีรุ้ง ดังภาพที่ 2

ภาพที่ 2 กฎการแผ่รังสีของเคิร์ชชอฟ

สเปกตรัมที่เกิดขึ้นจากการแผ่รังสีของสสารแต่ละชนิดมีลักษณะเฉพาะตัว ดังตัวอย่างในภาพที่ 3 เส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้นจากธาตุแต่ละชนิดจะแตกต่างไม่ซ้ำก้นเลย ทำนองเดียวกับเส้นลายมือของมนุษย์ ถ้าเราทราบข้อมูลสเปกตรัมของวัตถุต้นกำเนิด เราก็จะสามารถวิเคราะห์ได้ว่า วัตถุนั้นมีองค์ประกอบเป็นธาตุอะไร
- วัตถุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุดำ เช่น โลหะไส้หลอดไฟฟ้า แผ่รังสีทำให้เกิดสเปกตรัมต่อเนื่อง
- กลุ่มแก๊ส เช่น หลอดฟลูโอเรสเซนส์ เนบิวลา โคมาของดาวหาง แผ่รังสีทำให้เกิดสเปกตรัมแผ่รังสี
- วัตถุที่มีแก๊สหรือบรรยากาศห่อหุ้ม เช่น ดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ แผ่รังสีทำให้เกิดให้สเปกตรัมดูดกลืน

ภาพที่ 3 ตัวอย่างสเปกตรัม 

ในการศึกษาองค์ประกอบของดาวฤกษ์ด้วยการวิเคราะห์สเปกตรัม นักดาราศาสตร์แบ่งสเปกตรัมของดาวฤกษ์ออกเป็น 7 ประเภท ได้แก่ ดาวประเภท O, B, A, F, G, K, M โดยมีคำพูดให้ท่องจำได้ง่ายว่า Oh Be A Fine Girl Kiss Me (เป็นเด็กดีก็จูบฉัน) ดังตัวอย่างในภาพที่ 4 ดาว O เป็นดาวเกิดใหม่มีอุณหภูมิสูงถึง 35,000 K ดวงอาทิตย์เป็นดาว G มีอายุปานกลางมีอุณหภูมิสูง 5,800 K ส่วนดาว M เป็นดาวใกล้สิ้นอายุขัยมีอุณหภูมิต่ำเพียง 3,500 K (ภาพที่ 4) เราจะเห็นได้ว่า สเปกตรัมของดาวฤกษ์แต่ละประเภทจะมีเส้นดูดกลืนสีดำ ซึ่งแสดงถึงองค์ประกอบในบรรยากาศที่ห่อหุ้มดาวต่างๆ กัน เส้นดูดกลืนของสเปกตรัม O เกิดจากการดูดกลืนของอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียม ส่วนเส้นดูดกลืนของดาว K เกิดจากการดูดกลืนของธาตุหนักหลายชนิด นอกจากนั้นยังพบเส้นดูดกลืนของโมเลกุลอยู่เป็นจำนวนมาก เนื่องจากอุณหภูมิต่ำพอที่อะตอมสามารถจับตัวกันเป็นโมเลกุล เช่น ไททาเนียมออกไซด์ (TiO) เป็นต้น

ภาพที่ 4 สเปกตรัมของดาวฤกษ์ทั้งเจ็ดประเภท

อุปกรณ์ที่ใช้ในการศึกษาสเปกตรัมเรียกว่า สเปกโตรมิเตอร์ (Spectrometer) ทำงานโดยใช้เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ (Primary lens) รวมแสงของวัตถุให้ตกผ่านช่องแคบๆ (Slit) เพื่อบังคับให้เป็นแถบแสงผ่านเข้าสู่แผ่นเกรตติ้ง (Diffraction grating) ซึ่งเป็นพื้นผิวที่มีลักษณะเป็นร่องสามเหลี่ยมคล้ายสันของปริซึมจำนวนมากเรียงขนานกันเป็นแถว เพื่อหักเหแสงให้เกิดสเปกตรัม แล้วทำการเก็บข้อมูลด้วยเครื่องวัด (Detector) หรืออุปกรณ์บันทึกภาพ CCD

ภาพที่ 5 ผังการทำงานของสเปกโตรมิเตอร์ 

http://www.lesa.biz/astronomy/light/spectrum