簡單來說，天文學家可以透過分析恆星的光譜來確定恆星的組成元素。雖然我們無法從恆星那裡直接獲取樣本以分析它們的組成，但恆星的光譜蘊含著它們組成的資訊。按照原理的不同，光譜可分為發射和吸收光譜。

當原子中的電子吸收能量處在高能級時，它們傾向於躍遷回低能級，同時輻射出光子。由於不同原子的結構存在差異，所以它們會輻射出不同頻率的光子，從而在恆星的光譜上留下特殊的明線，這就是發射光譜。

另一方面，由於恆星的外層大氣比中心部分更冷，所以當光經過那裡時，部分波長的光會被特定的原子吸收，從而在恆星的光譜上留下特殊的暗線，這就是吸收光譜。

由於各種元素的特徵光譜可以在地球上的實驗室中測出來，所以透過分析恆星的光譜，可以確定恆星中存在哪些元素。不僅如此，恆星光譜分析還能顯示各種元素的丰度。分析結果顯示，包括太陽在內的恆星，它們的主要組成元素為氫（將近四分之三），其次是氦（將近四分之一），此外還包括其他含量很少的元素，比如碳、氧、矽和鐵。對於不同恆星，它們的元素丰度是不一樣的，所以它們具有不同的光譜特徵。

此外，透過分析恆星光譜，還能確定它們的質量、半徑以及表面溫度等重要資訊。由於多普勒效應，恆星的光譜會發生一定的紅移或者藍移，透過測定譜線位移，還能知道它們是在遠離我們，還是在靠近我們，並且也得到它們的相對運動速度。

恆星離我們那麼遠，我們怎麼知道它們是由什麼組成的呢？

對於行星來說，最簡單的方法是獲取一塊行星碎片並研究它，但在現實中，這種情況並不經常發生。我們把宇航員送上月球，他們撿起石頭並帶回來，所以我們有月球的碎片可以研究。我們還有一些火星碎片和小行星帶碎片，它們以隕石的形式墜落到地球上。但是宇宙的其他部分呢？

我們可以派太空船去行星。人造探測器已經登陸月球、金星和火星，並對它們的表面進行了研究。太空船也環繞或經過所有的太陽系行星。我們還向木星等由氣體構成的行星發射了大氣層探測器。在行星上著陸或進入行星大氣層的航天器可以使用科學儀器來找出行星是由什麼組成的。

我們也可以從遠處觀察物體，透過研究它們發出的光或者它們反射的光，我們就可以瞭解到很多關於它們的資訊。

在幾乎每一種情況下，無論是行星上的儀器，還是從地球上仰望的望遠鏡，科學家們都使用一種叫做光譜儀的儀器。光譜儀從他們所看到的任何東西(不管是岩石、雲、整個行星、恆星、星系或星雲等)中獲取一個訊號。並將訊號傳播到它的元件中。大多數光譜儀都使用光線，很像非常好的稜鏡，它們把來自某些物體的光分成不同的顏色。這是很有用的，因為元素週期表上的每個元素只發出幾種特定顏色的光。因此，如果我們將來自某些物體的光分散開來，只看到特定的顏色，那麼我們就可以將這些顏色與產生這些顏色的元素相匹配。就好像宇宙中的每一件事物都有一個隱藏的指紋，我們只需要學習如何閱讀。

有些光譜儀可以處理除光之外的其他事物。例如，質譜儀採集一種化學品的混合物，並根據它們的重量將它們分開。其他光譜儀測量不可見的光的形式，如紅外線或X射線。