אסטרונומים קובעים ממה עשוי כוכב בעזרת ספקטרוסקופיה. יש כאן שתי בעיות נפרדות: לגלות שיסוד מסוים נמצא בכוכב, ולמדוד את הכמות שלו. את הנוכחות של יסוד מגלים כשמזהים בספקטרום של הכוכב לפחות אחד מקווי הבליעה או הפליטה שלו – ועדיף כמה. את הכמות של היסוד מסיקים מהמראה של הקווים הספקטרליים: בדרך כלל, קווי בליעה רחבים וכהים (עמוקים) יותר מעידים על יותר אטומים של היסוד, וגם קווי פליטה רחבים ובהירים יותר מעידים על יותר אטומים של היסוד. היחס בין הכמויות של כל היסודות השונים הוא ההרכב הכימי של הכוכב. המיון של מספר עצום של ספקטרומים במצפה הכוכבים של הרווארד היה הצעד הראשון בגילוי היסודות שמהם עשויים הכוכבים. ססיליה פיין-גפושקין הייתה הראשונה שהראתה (בשנת 1925) שהכוכבים הקרובים עשויים בעיקר ממימן ומהליום, ולכן הם דומים בהרכבם לשמש.
אבל חשוב לזכור שהיעדר קווים ספקטרליים של יסוד מסוים אינו מבטיח שהיסוד חסר בכוכב. למשל, רק הכוכבים החמים ביותר, מסוג O ו-B, מראים בספקטרום שלהם עדות להליום, כי הפוטוספירות של כוכבים קרים יותר אינן חמות מספיק כדי לעורר או ליינן את ההליום. כשמשתמשים בספקטרום כדי לקבוע את ההרכב של כוכב, צריך להביא בחשבון גם את התנאים הפיזיקליים – הטמפרטורה, הצפיפות והלחץ. באופן דומה, העוצמה של קו ספקטרלי אינה מדד ישיר לכמות של היסוד בכוכב. לסדרה של קווים של אותו יסוד יש עוצמות יחסיות שנקבעות לפי פיזיקת הקוונטים, וכדי להמיר את עוצמת הקו לכמות היסוד צריך מודל פיזיקלי של הכוכב, שמביא בחשבון את הטמפרטורה, הצפיפות והלחץ. גם הרוחב של הקו חשוב, כי פיזור אורכי הגל בקו מתאים לטווח של מהירויות בגז – קווים רחבים יותר נוצרים בגז שהטמפרטורה והלחץ בו גבוהים יותר.
הספקטרוסקופיה היא כלי רב עוצמה. זיהוי הקווים הספקטרליים מגלה אילו יסודות נמצאים בשכבות החיצוניות של כוכב, כי לכל יסוד יש דפוס קווים ייחודי, כמו טביעת אצבע. מדידת העוצמות היחסיות של הקווים של יסוד מסוים מלמדת על הטמפרטורה, הצפיפות והלחץ בפוטוספירה – שכבת פני השטח – של הכוכב. השיטה הזו משלימה את המידע על הטמפרטורה שמתקבל בשיטות אחרות, כמו יישום חוק וין לשיא הקרינה של הכוכב.
הספקטרוסקופיה של כוכבים מלמדת אותנו משהו חשוב מאוד על היקום שבו אנחנו חיים. כשההליום התגלה (בספקטרום של השמש, בשנת 1868), הוא היה יסוד מסתורי, כי הוא נדיר מאוד בכדור הארץ. היום אנחנו יודעים שמימן והליום הם היסודות הנפוצים ביותר במערכת השמש: שני היסודות הפשוטים האלה מרכיבים את רוב החומר של השמש ושל הפלנטות הענקיות. דווקא כדור הארץ הוא יוצא הדופן – סלע גדול, עשיר בחמצן, בסיליקון ובמתכות, שהמסה שלו קטנה מכדי להחזיק בגזים הקלים. כשהאסטרונומים הפנו את תשומת ליבם לכוכבים, הם לא ידעו למה לצפות. האם יימצאו במרחקים העצומים האלה יסודות מוזרים או מצבים לא רגילים של חומר? לא. רוב הכוכבים בנויים בדיוק כמו השמש. מימן והליום הם היסודות הנפוצים ביותר בכל מקום ביקום שחקרנו עד היום. זה מחזק את הביטחון שלנו שחוקי הפיזיקה והכימיה הם באמת אוניברסליים.
הספקטרוסקופיה של כוכבים מלמדת אותנו על השכבות החיצוניות שלהם. כדי ללמוד על ההרכב של פנים הכוכבים, צריך לחפש במקום אחר – בתווך הבין-כוכבי. אמנם איננו יכולים לראות את הליבות של הכוכבים, אבל אפשר לקבל מושג על ההרכב שלהן מתוך השרידים של התפוצצויות כוכבים. כשכוכבים מזדקנים ומתים, תנועות ההסעה מערבבות את הגז שלהם, ואחר כך הם משילים את השכבות החיצוניות שלהם – לאט, או בהתפוצצות אלימה של סופרנובה – וכך אנחנו זוכים סוף סוף להצצה בהרכב הפנימי שלהם. מימן והליום עדיין הם היסודות הנפוצים ביותר, אבל רואים גם יסודות כבדים יותר, כמו פחמן, חנקן, חמצן, ברזל, זהב, כסף ופלטינה, ואת כל שאר היסודות בטבלה המחזורית. (חלק מהיסודות הכבדים ביותר, כמו זהב ופלטינה, נוצרים גם בהתנגשויות של כוכבי נייטרונים). החומר הזה נוצר בכוכבים, והוא יהיה חומר הגלם שממנו ייווצרו כוכבים ופלנטות חדשים.
→ הסעיף הקודם: 12.11 טמפרטורה וסוג ספקטרלי | הסעיף הבא: 12.13 תנועת כוכבים בחלל ←