光的本质是电磁波。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波，只不过波长有所不同。在可见光中，红光波长最长，蓝光波长最短。而波长较短的光由于有较高的频率，其光子能量较高，因为光子能量与频率成正比。按照物理学中的维恩位移定律，发光体的温度越高，其光强最大值处所在的波长就越短。因此，恒星所呈现出的不同颜色，代表了它们表面所处的不同温度。例如，蓝色的星温度较高，大约在10000K左右；红色的星温度较低，大约在3000K左右；黄色的星温度居中，大约在6000K左右。我们的太阳就属于后者。
然而，如果对星光进行更仔细的分析，还可以得到更多的信息。牛顿在17世纪60年代曾做了一项具有重大意义的工作。他让一束白光通过玻璃三棱镜，在棱镜后面的纸屏上观察到了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色彩虹。他敏锐地意识到，白光原来是各种颜色的单色光混合而成的。牛顿称这种按顺序排列的单色光为光谱。1814年，德国人夫琅和费在太阳光中又有了新的发现。他本来是一位能干的光学仪器制造者，当时在研究一种精确测定不同成分、类型的玻璃对不同颜色光束折射率的方法。他听说另一位德国科学家沃拉斯顿曾经在太阳光谱中发现了某些暗的条纹，因此希望用这些暗线做他对玻璃折射率测量的标记，于是他着手重复牛顿和沃拉斯顿做过的实验。由于夫琅和费使用的仪器比他的前人完备得多，他得到的光谱被放大了很多倍而非常有利于仔细观察。夫琅和费数出了太阳光谱中的多达700条不等间隔的暗线（在现代条件下观察到的暗线已达约100万条）。直到今天，我们还称这些太阳光谱暗线为“夫琅和费线”。
但是，夫琅和费线是怎样形成的？它们究竟意味着什么？人们对此在一段时间内却茫然不知。到了1856年，化学家本生发明了燃烧煤气的“本生灯”。当他在灯的白色火焰中撒入不同的化学物质时，火焰会变得带有某种色彩。随后，本生和基尔霍夫开始通过棱镜来观察这些彩色的火焰。他们在棱镜后面看到了一条条的光谱线。而且，不同的化学物质所产生的光谱线在光谱中出现的位置也不相同。于是他们得出一个振奋人心的结论，即每一种化学物质都有它自己的特征谱线。这就有点像我们每个人都有与他人不同的特征指纹一样。天文学家们很快地接受了本生和基尔霍夫的研究成果。他们设想，用棱镜来分析来自天体的光，通过研究谱线的不同位置（即不同波长或说不同颜色），并将其与地球上实验室中得到的不同物质的特征谱线相比较，就有可能确定该天体中都含有哪些元素及含量的多少（含量与光谱线强度有关）。这样，一种崭新的天体光谱分析技术从此诞生了。
人们还发现，如果在实验室中通过棱镜直接观察一些炽热物体所发出的光，看到的是从红到紫的连续彩虹，其中并没有亮线和暗线。这种连续彩虹叫连续谱。但如果透过某种物质的气体或蒸气来观察炽热物体所发出的光时，在连续谱中就会出现暗线。而如果改在某个角度上观察这种气体或蒸气时，情况就又不同了，看到的是在暗背景上出现的亮线。科学家们进而认识到，暗线是由物质对特定波长的光能量吸收形成的，亮线是由物质对特定波长的光能量发射形成的。因此，暗线又称吸收线，亮线又称发射线。一种物质的特征谱线有时是亮线，有时是暗线，这取决于它所处的物理状态和观察的方式。但不管是吸收线还是发射线，其位置（即波长）在一般条件下总是不变的。用另一位科学家克希霍夫的话来说，就是“如果让产生连续谱的光源发出的光穿过比较冷的气体（或蒸气），那么气体就从光谱的全部光线中只吸收那些它自己在炽热状态下发射的光线”。
那么，一种物质为什么能发射或吸收一定波长的光呢？这是个不容易一下子弄清楚的问题，它使科学家们困惑了很多年。到了1931年，年轻的丹麦物理学家玻尔在英国科学家卢瑟福提出的原子模型基础上，结合夫琅和费、基尔霍夫和本生他们的工作，提出了一种新的原子理论。他认为，在一个原子内部，电子就像行星绕太阳旋转那样环绕原子核旋转。而越是靠近核的电子，具有的能量越低；离核远的电子能量更高些。这样，电子所在的轨道不同，所处的“能级”也不同。根据能量守恒定律，当电子从外部的轨道“跃迁”到离原子核更近些的轨道上时，它必然要释放出一部分能量。反之，电子也只有吸收了一部分能量后，才可能从内部的轨道跃迁到离原子核更远些的轨道上。但是，电子能级从低到高的结构方式，并不像是连续的“斜坡”，而更像是楼梯上的“台阶”。所以，在两个特定的“台阶”之间发生跃迁时，无论吸收还是发射，“台阶”之间的能量差总是固定的。还有，由于不同物质的原子中电子数目有多有少，能级“台阶”之间的能量差也不相同，所以吸收或发射光波长也就不同。玻尔的理论发表后，解释了很多先前的理论不能解释的现象，很快为科学家们所接受。原子光谱和光谱分析有了可靠的理论基础，人们完全摆脱了以前面对实验现象时那种“盲目”的感觉。
使用光谱分析的方法，人们终于开始了解遥远而可望不可及的天体上都有些什么化学元素了。原来，几乎所有的恒星表层大气中都具有大致相同的化学成分。最多的是氢，其次是氦，这两种元素占了总量的95％以上，其余的有钾、钠、钙、镁、铁、氧化钛等元素和化合物。天文学家根据不同的光谱类型对恒星进行了分类。如，A型星有很强的氢线，而B型星的氢线相对较弱，但出现了较强的氦线，F型星光谱中的金属线很强，M型星光谱中有明显的氧化钛分子线。因为分子的谱线较宽，人们也称之为“谱带”。太阳属于G型星，它的氢线较弱，金属线相对强，电离钙线很强。如果把各种恒星的光谱类型按温度从高到低排队，那就是O、B、A、F、G、K、M。有人为了方便记忆，还编了一句俏皮的英语，这就是：“Oh，BeAFairGirl，KissMe！”中文意思是：“啊，美丽的姑娘吻我吧！