천체의 스펙트럼을 관측, 그 물리적 성질과 화학 조성을 연구하는 천체물리학의 한 분야. 19세기초 독일의 물리학자 J. 프라운호퍼의 태양 스펙트럼 연구와 이탈리아의 천문학자 P. A. 세키에 의한 항성 스펙트럼의 안시분류(眼視分類)에 이어 사진술의 도입으로 관측은 정밀화함과 동시에 어두운 천체에까지 응용되었다.

20세기에 들어 원자 · 분자의 구조와 천체가 발하는 스펙트럼에 대한 이해가 진척되어 천체의 스펙트럼 해석에 분광학이 응용되었으며, 관측하는 파장역(波長域)도 전파로부터 적외선 · 자외선 · X선 · y선에 이르는 전자기파(電磁氣波) 전체를 망라하게 되었다.

빛 영역에서는 파장별로 빛을 나누는데, 프리즘 또는 회절격자(回折格子) 분광기가 사용되고, 스펙트럼 화상은 사진이나 영상증배관(映像增培管), 텔레비전 카메라, 고체화상 소자(素子) 등에 의해 효율적으로 기록된다.

스펙트럼은 천체에 대한 가장 풍부한 정보를 제공한다.

도플러 효과에 의해 스펙트럼선이 본래의 파장에서 벗어나는 양을 관측함으로써 어떤 천체 또는 그 스펙트럼선을 형성하는 부분의 시선(視線)방향의 속도 성분을 알 수 있다.

항성의 공간운동, 쌍성(雙星)의 공전, 항성의 자전과 맥동(脈動), 또 은하에 대하여는 그 자전 및 후퇴속도에 허블의 법칙을 적용, 거리를 추정하는 방법 등에 응용된다.

스펙트럼선 세기의 정량분석에서 천체의 물리적 성질(온도 · 밀도 · 자기장 · 운동 등)과 화학조성을 알 수 있다.

원자 · 분자의 이론이나, 실험실에서 얻어지는 파장과 세기의 데이터가 이용된다.

천체의 구조는 복잡하므로 압력과 중력의 균형 등 물리법칙을 적용하여 구조를 추정하고, 거기서 나오는 스펙트럼선의 세기를 추산해 관측과 합치되는지 검정한다.