Les raies spectrales sont des lacunes dans la distribution ordinairement continue de la fréquence de la lumière. Ils se produisent lorsque la lumière émise est partiellement absorbée par la matière, généralement un gaz. Un type de raie spectrale est une raie d’absorption, qui se produit lorsque certaines fréquences de lumière sont absorbées par le rayonnement émis. Une raie d’émission, d’autre part, peut être vue dans la lumière qui a été absorbée puis réémise. Ces lignes peuvent donner aux astronomes des indices sur la composition et la vitesse des objets astronomiques.
Le premier des deux types de raies spectrales sont les raies d’absorption. Les lignes d’absorption se produisent lorsque la lumière est émise par un objet, comme une étoile, puis traverse un gaz avant d’atteindre un observateur. Dans ce cas, la lumière d’une étoile chaude sera émise fortement sur une large gamme de fréquences ; en d’autres termes, il aura un spectre continu de rayonnement. S’il traverse un gaz froid, cependant, la lumière avec certaines fréquences peut être absorbée par le gaz. Lorsqu’un observateur analyse la lumière, qui provient à l’origine de l’étoile, il montre des raies d’absorption, des lacunes notables dans certaines fréquences de rayonnement.
Le deuxième type de raie spectrale est une raie d’émission. La lumière des étoiles ne peut pas être continuellement absorbée par un gaz car la lumière contient de l’énergie. Au contraire, il est absorbé par le gaz puis réémis ultérieurement. Lorsqu’elle est réémise, la lumière ne contient que les fréquences qui ont été absorbées par le gaz. Par conséquent, les fréquences des raies d’émission doivent correspondre aux fréquences des raies d’absorption correspondantes. Ceci a en fait été vérifié par des astronomes observant la lumière réémise ; les deux types de lignes sont essentiellement inverses l’un de l’autre.
Les raies spectrales existent parce que la lumière émise par les éléments et les produits chimiques a un spectre continu de fréquences. Plutôt que d’être une entité homogène, la lumière visible est en fait un rayonnement électromagnétique dans une certaine plage de fréquences. Le rayonnement invisible à l’œil nu a également une distribution de fréquence continue, bien qu’il soit concentré en dehors de la plage visible. Un instrument scientifique connu sous le nom de spectromètre peut être utilisé pour analyser les fréquences du rayonnement électromagnétique.
L’étude de ces raies peut donner aux astronomes deux informations importantes. Tout d’abord, sachant quels gaz produisent quelles raies d’absorption, les raies spectrales peuvent aider à identifier la composition des atmosphères planétaires. Les astronomes ont utilisé cette technique pour caractériser les atmosphères des planètes en dehors du système solaire. Deuxièmement, des motifs reconnaissables de raies spectrales peuvent indiquer la vitesse d’objets astronomiques – la vitesse d’un objet décale la fréquence de son rayonnement, y compris les raies spectrales.