Um feixe de luz, através de dispositivos ópticos especiais, como prismas, redes de difração, etc., pode ser decomposto numa série de luzes de diferentes comprimentos de onda, formando um padrão chamado espectro. O espectro mais comum na natureza é o arco-íris após a chuva. O primeiro a observar e analisar cuidadosamente o espectro foi Newton, que obteve o espectro solar usando um prisma. Mais tarde, os físicos e astrónomos começaram a classificar e estudar extensivamente o espectro solar e o espectro das estrelas, obtendo alguns conhecimentos básicos sobre o espectro. Uma linha específica num determinado local do espectro é chamada de linha espectral. A natureza das linhas espectrais está relacionada com os elementos contidos no objeto celeste, bem como com a sua abundância e estado de ionização. Com base nesta informação, os astrónomos, através do estudo do espectro das estrelas, foram gradualmente aprendendo sobre os elementos que compõem essas estrelas e determinando as suas proporções.
À medida que a compreensão humana da classificação do espectro e dos modelos atmosféricos das estrelas se aprofundava, o papel do espectro não se limitava apenas a identificar a composição elementar da atmosfera das estrelas, mas também a estudar a estrutura e evolução das estrelas. Na década de 1960, com a utilização generalizada dos computadores, os cientistas obtiveram uma compreensão mais detalhada dos mecanismos de radiação astrofísica. Os astrónomos comparavam os espectros observados com os calculados por vários modelos de radiação para inferir a informação subjacente ao espectro. Por exemplo, através do espectro de um remanescente de supernova, podia-se determinar em que fase de evolução se encontrava esse remanescente; através do espectro infravermelho de um sistema protoestelar, podia-se especular sobre a fase de crescimento da protoestrela e estudar como as estrelas são formadas.
A obtenção do espectro de um objeto celeste é chamada de espectroscopia. Com telescópios cada vez maiores e equipamentos de espectroscopia mais avançados, os astrónomos podem agora realizar observações espectroscópicas em todos os comprimentos de onda, desde rádio e infravermelho até luz visível e raios gama de alta energia. Os espectros obtidos irão revelar-nos ainda mais mistérios do Universo.