Spektralne linije su praznine u obično kontinuiranoj raspodjeli frekvencije u svjetlosti. Nastaju kada se emitirana svjetlost djelomično apsorbira materijom, obično plinom. Jedna vrsta spektralne linije je apsorpcijska linija, koja nastaje kada se neke frekvencije svjetlosti apsorbiraju iz emitiranog zračenja. Emisiona linija, s druge strane, može se vidjeti u svjetlu koje je apsorbirano, a zatim ponovno emitirano. Ove linije mogu dati astronomima tragove o sastavu i brzini astronomskih objekata.
Prva od dvije vrste spektralnih linija su apsorpcijske linije. Apsorpcijske linije nastaju kada se svjetlost emitira iz objekta, kao što je zvijezda, a zatim prođe kroz plin prije nego što stigne do promatrača. U ovom slučaju, svjetlost vruće zvijezde će se snažno emitirati u širokom rasponu frekvencija; drugim riječima, imat će kontinuirani spektar zračenja. Međutim, ako prođe kroz hladan plin, plin može apsorbirati svjetlost određenih frekvencija. Kada promatrač analizira svjetlost, koja je izvorno došla od zvijezde, pokazat će se apsorpcijske linije – primjetne praznine u određenim frekvencijama zračenja.
Druga vrsta spektralne linije je emisijska linija. Svjetlost zvijezda ne može se kontinuirano apsorbirati plinom jer svjetlost sadrži energiju. Umjesto toga, plin ga apsorbira i kasnije ponovno emitira. Kada se ponovno emitira, svjetlost sadrži samo frekvencije koje je plin apsorbirao. Stoga bi se frekvencije emisijskih linija trebale podudarati s frekvencijama odgovarajućih apsorpcijskih linija. To su zapravo potvrdili astronomi promatrajući ponovno emitirano svjetlo; dvije vrste linija su u biti inverzne jedna drugoj.
Spektralne linije postoje jer svjetlost koju emitiraju elementi i kemikalije ima kontinuirani spektar frekvencija. Umjesto da bude homogeni entitet, vidljiva svjetlost je zapravo elektromagnetsko zračenje unutar određenog frekvencijskog raspona. Zračenje koje je nevidljivo golim okom također ima kontinuiranu distribuciju frekvencije, iako je koncentrirano izvan vidljivog raspona. Znanstveni instrument poznat kao spektrometar može se koristiti za analizu frekvencija elektromagnetskog zračenja.
Proučavanje ovih linija može dati astronomima dvije važne informacije. Prije svega, sa znanjem o tome koji plinovi proizvode koje apsorpcijske linije, spektralne linije mogu pomoći u identificiranju sastava planetarne atmosfere. Astronomi su koristili ovu tehniku za karakterizaciju atmosfere planeta izvan Sunčevog sustava. Drugo, prepoznatljivi obrasci spektralnih linija mogu ukazivati na brzinu astronomskih objekata – brzina objekta pomiče frekvenciju njegovog zračenja, uključujući spektralne linije.