Liniile spectrale sunt lacune în distribuția obișnuită continuă a frecvenței în lumină. Acestea rezultă atunci când lumina emisă este parțial absorbită de materie, de obicei un gaz. Un tip de linie spectrală este o linie de absorbție, care este cauzată atunci când unele frecvențe de lumină sunt absorbite din radiația emisă. O linie de emisie, pe de altă parte, poate fi văzută în lumină care a fost absorbită și apoi reemisă. Aceste linii pot oferi astronomilor indicii despre compoziția și viteza obiectelor astronomice.
Primul dintre cele două tipuri de linii spectrale sunt liniile de absorbție. Liniile de absorbție apar atunci când lumina este emisă de la un obiect, cum ar fi o stea, și apoi trece printr-un gaz înainte de a ajunge la un observator. În acest caz, lumina de la o stea fierbinte va fi emisă puternic pe o gamă largă de frecvențe; cu alte cuvinte, va avea un spectru continuu de radiații. Dacă trece printr-un gaz rece, lumina cu anumite frecvențe poate fi absorbită de gaz. Când un observator analizează lumina, care a provenit inițial de la stea, va arăta linii de absorbție – lacune vizibile în anumite frecvențe de radiație.
Al doilea tip de linie spectrală este o linie de emisie. Lumina stelelor nu poate fi absorbită continuu de un gaz deoarece lumina conține energie. Mai degrabă, este absorbit de gaz și apoi reemis la un moment ulterior. Când este reemisă, lumina conține doar frecvențele care au fost absorbite de gaz. Prin urmare, frecvențele liniilor de emisie ar trebui să se potrivească cu frecvențele liniilor de absorbție corespunzătoare. Acest lucru a fost de fapt verificat de astronomii care observă lumina reemisă; cele două tipuri de linii sunt în esență inverse una față de alta.
Liniile spectrale există deoarece lumina emisă de elemente și substanțe chimice are un spectru continuu de frecvențe. În loc să fie o entitate omogenă, lumina vizibilă este de fapt radiație electromagnetică într-un anumit interval de frecvență. Radiația care este invizibilă cu ochiul liber are, de asemenea, o distribuție continuă a frecvenței, deși este concentrată în afara intervalului vizibil. Un instrument științific cunoscut sub numele de spectrometru poate fi utilizat pentru a analiza frecvențele radiațiilor electromagnetice.
Studierea acestor linii poate oferi astronomilor două informații importante. În primul rând, știind ce gaze produc ce linii de absorbție, liniile spectrale pot ajuta la identificarea compoziției atmosferelor planetare. Astronomii au folosit această tehnică pentru a caracteriza atmosferele planetelor din afara sistemului solar. În al doilea rând, modelele recognoscibile ale liniilor spectrale pot indica viteza obiectelor astronomice – viteza unui obiect schimbă frecvența radiației sale, inclusiv liniile spectrale.