Spektrālās līnijas ir spraugas parastā nepārtrauktā frekvences sadalījumā gaismā. Tie rodas, kad izstaroto gaismu daļēji absorbē viela, parasti gāze. Viena veida spektrālās līnijas ir absorbcijas līnija, kas rodas, kad dažas gaismas frekvences tiek absorbētas no izstarotā starojuma. No otras puses, gaismā, kas tika absorbēta un pēc tam atkārtoti izstarota, var redzēt emisijas līniju. Šīs līnijas var sniegt astronomiem norādes par astronomisko objektu sastāvu un ātrumu.
Pirmā no diviem spektrālo līniju veidiem ir absorbcijas līnijas. Absorbcijas līnijas rodas, kad gaisma tiek izstarota no objekta, piemēram, zvaigznes, un pēc tam iziet cauri gāzei, pirms sasniedz novērotāju. Šajā gadījumā karstas zvaigznes gaisma tiks spēcīgi izstarota plašā frekvenču diapazonā; citiem vārdiem sakot, tai būs nepārtraukts starojuma spektrs. Tomēr, ja tas iziet cauri vēsai gāzei, gāze var absorbēt gaismu ar noteiktām frekvencēm. Kad novērotājs analizē gaismu, kas sākotnēji nāca no zvaigznes, tā parādīs absorbcijas līnijas — pamanāmas spraugas noteiktās starojuma frekvencēs.
Otra veida spektrālās līnijas ir emisijas līnija. Gāze nevar pastāvīgi absorbēt zvaigžņu gaismu, jo gaisma satur enerģiju. Drīzāk to absorbē gāze un pēc tam atkārtoti izstaro vēlāk. Kad tas tiek atkārtoti izstarots, gaisma satur tikai tās frekvences, kuras absorbēja gāze. Tāpēc emisijas līniju frekvencēm jāsakrīt ar atbilstošo absorbcijas līniju frekvencēm. To patiesībā ir pārbaudījuši astronomi, novērojot atkārtoti izstaroto gaismu; abu veidu līnijas būtībā ir viena otras apgrieztas.
Spektra līnijas pastāv tāpēc, ka elementu un ķīmisko vielu izstarotajai gaismai ir nepārtraukts frekvenču spektrs. Tā vietā, lai būtu viendabīga vienība, redzamā gaisma patiesībā ir elektromagnētiskais starojums noteiktā frekvenču diapazonā. Ar neapbruņotu aci neredzamajam starojumam ir arī nepārtraukts frekvenču sadalījums, lai gan tas ir koncentrēts ārpus redzamā diapazona. Zinātnisku instrumentu, kas pazīstams kā spektrometrs, var izmantot, lai analizētu elektromagnētiskā starojuma frekvences.
Šo līniju izpēte var sniegt astronomiem divas svarīgas informācijas. Pirmkārt, zinot, kuras gāzes rada kuras absorbcijas līnijas, spektrālās līnijas var palīdzēt noteikt planētu atmosfēras sastāvu. Astronomi ir izmantojuši šo metodi, lai raksturotu planētu atmosfēru ārpus Saules sistēmas. Otrkārt, atpazīstami spektra līniju modeļi var norādīt uz astronomisko objektu ātrumu — objekta ātrums maina tā starojuma frekvenci, ieskaitot spektrālās līnijas.