Spektrallinien sind Lücken in der normalerweise kontinuierlichen Frequenzverteilung im Licht. Sie entstehen, wenn emittiertes Licht teilweise von Materie, meist einem Gas, absorbiert wird. Eine Spektrallinie ist eine Absorptionslinie, die entsteht, wenn einige Lichtfrequenzen von emittierter Strahlung absorbiert werden. Eine Emissionslinie hingegen ist in Licht zu sehen, das absorbiert und dann wieder emittiert wurde. Diese Linien können Astronomen Hinweise auf die Zusammensetzung und Geschwindigkeit astronomischer Objekte geben.
Die erste der beiden Arten von Spektrallinien sind Absorptionslinien. Absorptionslinien treten auf, wenn Licht von einem Objekt, beispielsweise einem Stern, emittiert wird und dann durch ein Gas geht, bevor es einen Beobachter erreicht. In diesem Fall wird das Licht eines heißen Sterns über einen weiten Frequenzbereich stark emittiert; mit anderen Worten, es wird ein kontinuierliches Strahlungsspektrum haben. Durchquert es jedoch ein kühles Gas, kann Licht mit bestimmten Frequenzen vom Gas absorbiert werden. Wenn ein Beobachter das Licht, das ursprünglich vom Stern kam, analysiert, zeigt es Absorptionslinien – merkliche Lücken in bestimmten Strahlungsfrequenzen.
Die zweite Spektrallinie ist eine Emissionslinie. Sternenlicht kann nicht ständig von einem Gas absorbiert werden, da das Licht Energie enthält. Es wird vielmehr vom Gas aufgenommen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben. Bei der Reemission enthält das Licht nur die Frequenzen, die vom Gas absorbiert wurden. Daher sollten die Frequenzen der Emissionslinien mit den Frequenzen der entsprechenden Absorptionslinien übereinstimmen. Dies wurde tatsächlich von Astronomen bestätigt, die reemittiertes Licht beobachteten; die beiden Arten von Linien sind im Wesentlichen invers zueinander.
Spektrallinien existieren, weil das von Elementen und Chemikalien emittierte Licht ein kontinuierliches Frequenzspektrum hat. Sichtbares Licht ist keine homogene Einheit, sondern elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Frequenzbereich. Für das bloße Auge unsichtbare Strahlung weist ebenfalls eine kontinuierliche Frequenzverteilung auf, konzentriert sich jedoch außerhalb des sichtbaren Bereichs. Ein wissenschaftliches Instrument, das als Spektrometer bekannt ist, kann verwendet werden, um die Frequenzen elektromagnetischer Strahlung zu analysieren.
Das Studium dieser Linien kann Astronomen zwei wichtige Informationen liefern. Wenn man weiß, welche Gase welche Absorptionslinien erzeugen, können Spektrallinien zunächst helfen, die Zusammensetzung der planetarischen Atmosphären zu identifizieren. Astronomen haben diese Technik verwendet, um die Atmosphären von Planeten außerhalb des Sonnensystems zu charakterisieren. Zweitens können erkennbare Muster von Spektrallinien die Geschwindigkeit astronomischer Objekte anzeigen – die Geschwindigkeit eines Objekts verschiebt die Frequenz seiner Strahlung, einschließlich der Spektrallinien.