Eine Lichtstrahl kann durch spezielle optische Geräte, wie Prismen, Gitter usw., in eine Reihe von Lichtwellenlängen aufgeteilt werden, und das so entstandene Muster wird als Spektrum bezeichnet. Das häufigste Spektrum in der Natur ist der Regenbogen nach einem Regen. Der erste, der das Spektrum sorgfältig beobachtet und analysiert hat, war Newton. Er erhielt das Sonnenspektrum mit einem Prisma. Später begannen Physiker und Astronomen, das Sonnenspektrum und das Sternenspektrum intensiv zu klassifizieren und zu untersuchen, und erlangten dabei einige grundlegende Kenntnisse über das Spektrum. An einer bestimmten Stelle im Spektrum entstehen spezifische Linien, die als Spektrallinien bezeichnet werden. Die Eigenschaften der Spektrallinien hängen von den im Objekt enthaltenen Elementen sowie deren Häufigkeit und Ionisierungszustand ab. Auf dieser Grundlage haben Astronomen durch die Untersuchung von Sternenspektren allmählich ein Verständnis der Elemente, aus denen diese Sterne bestehen, und deren Zusammensetzungsverhältnisse erlangt.
Mit zunehmendem Wissen über die Klassifizierung von Spektren und die Modelle der Sternatmosphäre wurde die Rolle des Spektrums nicht nur zur Identifizierung der Elemente in der Sternatmosphäre, sondern auch zur Erforschung der Sternstruktur und -entwicklung eingesetzt. In den 1960er Jahren erlangten Wissenschaftler durch die weit verbreitete Nutzung von Computern ein detaillierteres Verständnis der Strahlungsmechanismen in der Astrophysik. Astronomen verglichen die tatsächlich beobachteten Spektren mit den Spektren, die mit verschiedenen Strahlungsmodellen berechnet wurden, um die darin enthaltenen Informationen abzuleiten. Beispielsweise kann anhand des Spektrums eines Supernova-Überrests bestimmt werden, in welchem Stadium sich dieser Supernova-Überrest befindet. Anhand des Infrarotspektrums eines protoplanetaren Systems kann die Wachstumsphase des Protoplaneten untersucht und die Entstehung von Sternen erforscht werden.
Die Erlangung des Spektrums eines Objekts wird in der Astronomie als Spektroskopie bezeichnet. Mit zunehmend größeren Teleskopdurchmessern und fortschrittlicheren Spektroskopiegeräten können Astronomen heute Spektroskopiebeobachtungen in allen Wellenlängenbereichen durchführen, von Radio- und Infrarot über sichtbares Licht bis hin zu hochenergetischer Gammastrahlung. Die erhaltenen Spektren werden uns weitere Geheimnisse des Universums enthüllen.