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图54 谱吸收是谱发射的反过程。钠的这个吸收谱与图53中所示的发射谱是等同的，只是现在是在灰色背景下呈两条黑线，而不是灰色背景下的白线，因为除了这两条被钠吸收的波长外，我们能看到所有的波长。
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事实上，正是吸收谱，而不是发射谱，引起天文学家的注意。于是光谱学走出化学实验室，进入到天文台。从太阳光谱开始，他们意识到，吸收谱可以提供恒星组成的线索。图55显示了太阳光谱是如何通过棱镜从而使得整个波长范围的谱都可以研究的。太阳热到足以发射出整个可见光波长范围的光。但从19世纪开始，物理学家注意到，一些特定波长在谱图上失踪了。在太阳光谱的这些波长位置上呈黑色细线。不久就有人意识到，缺失的波长被太阳大气中的原子吸收了。这样，缺失的波长就可用于识别构成太阳大气的原子成分。
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虽然很多基础性工作是由德国的光学研究先驱约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫做出的，但关键性的突破是由罗伯特·本生和古斯塔夫·基尔霍夫在1859年前后取得的。他们共同建立了一座分光镜，一个专门设计用来精确测量发光物体发出的波长的仪器。他们用它来分析太阳光，并能识别出两条失踪波长与钠相关，从而得出结论，钠必定存在于太阳大气中。
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图55 太阳的热足以发出从红到紫的所有可见光波长范围的光，以及紫外线和红外线。我们可以让太阳光通过分光镜来对其进行分析。分光镜包括一个玻璃棱镜和其他一些使白光得以色散（这样所有波长的光就都可得到识别）的仪器。这幅图显示了我们希望看到的由一个像太阳那么热的物体所发出的光的波长分布，所不同的是有两条特征波长缺失。它们对应于钠的吸收。图形下方的波长谱是天文学家的照相底版上经常出现的吸收线，只是真正的测量可能没这么清晰。在现实中，对太阳光的详细研究表明，太阳光谱有数以百计的缺失波长。这些波长都被太阳大气中的各种原子吸收了。因此，通过测量这些暗吸收线的波长，我们就有可能识别构成太阳大气的原子。
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“目前，基尔霍夫和我所从事的一项共同的工作让我们夜不能寐，”本生写道，“基尔霍夫在寻找太阳光谱的暗线的原因方面已经做出了一项精彩的、完全出乎意料的发现……因此，一种确定太阳和恒星的组成的方法已经被发现。这种方法的精度与我们用化学试剂来确定硫酸、氯等的精度相当。”孔德的人类永远无法识别恒星的成分的断言被证明是错误的。
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基尔霍夫继续寻找太阳大气中其他物质（如重金属等）的证据。他的银行经理感到非常不理解，问他：“如果我不能将它带回到地球上，太阳上就是有黄金又有什么用？”许多年后，当基尔霍夫因他的研究获得了一枚金质奖章后，他对这位狭隘的银行家进行了一次凯旋般的造访，并对他说：“这就是来自太阳的黄金。”
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恒星光谱这项技术是如此强大，以至于在1868年，英国人诺曼·洛克耶和法国人朱尔斯·詹森各自独立地在太阳上发现了地球上尚未发现的新元素。他们从太阳光谱中确认了一条吸收线，而这条线与任何已知的原子光谱线都不匹配，因此洛克耶和詹森将此作为一种全新类型的原子的证据。它被命名为氦，以纪念俄里奥斯——古希腊人的太阳神。虽然氦的丰度占到太阳全部质量的四分之一，但在地球上这种元素却非常罕见。直到25年后，在地球上发现了氦之后，洛克耶才被封为爵士。
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威廉·哈金斯是深知光谱力量的另一位科学家。年轻时，他被迫接下父亲的布店营生，但后来他决定卖掉家族企业，去追求他的科学梦想。他用这笔钱在伦敦郊区的上塔尔斯山上建立了天文台。当他听说了本生和基尔霍夫的光谱发现后，哈金斯大喜：“这个消息对我来说，就像春季里干涸的土地逢甘霖。”
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在19世纪60年代里，他将光谱学运用到太阳以外的恒星上，并证实它们也含有地球上存在的相同元素。例如，他看到，出现在参宿四的光谱里的暗线就包含了由钠、镁、钙、铁和铋等原子所吸收的波长。古代哲学家曾表示，恒星是由第五元素组成的，这种第五元素超越了地面上世俗的气、土、火、水四元素，但哈金斯已成功地证明，参宿四，想必整个宇宙，都是由与地球上发现的相同材料构成的。哈金斯总结道：“对恒星和其他天体的光所进行的这种原始光谱学研究的一个重要目的，即发现在整个宇宙中是否存在与我们地球上相同的化学元素，已经得到最为满意的肯定回答；研究表明，普通元素存在于整个宇宙。”
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哈金斯在他的余生里继续研究恒星。做伴的是他的妻子玛格丽特和他的爱犬开普勒。玛格丽特·哈金斯本人就是一位有成就的天文学家，她比她丈夫要小24岁。因此，当威廉年届84岁高龄，并且作为天文学家渐渐走向其职业生涯的终结时，他是依靠他的这位活泼的60岁的妻子来爬上望远镜，并进行必要的调整的。“天文学家需要万能关节和印度橡胶做的椎骨，”她抱怨道。总之，哈金斯夫妇将光谱学推广到一个全新的应用领域，一个改变了我们对宇宙的看法的领域。除了评估恒星的成分，他们还展示了如何利用光谱学来测量恒星的速度。
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图56 哈金斯夫妇，他们开创性地在天文学领域利用光谱测量了恒星的速度。
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继伽利略之后，天文学家一直认为恒星是静止的。虽然每天晚上恒星都会划过天空，但天文学家意识到，这种视运动是由地球的自转造成的。特别是，他们认为恒星彼此间的相对位置是保持不变的。事实上，这是错的，正如英国天文学家埃德蒙·哈雷在1718年所指出的那样。他意识到，即使考虑到地球的运动，通过将恒星天狼星、大角星和南河三的相对位置与若干世纪前托勒密的测量结果进行比较就可以看出，这之间仍有细微的差异。哈雷意识到，这些差异并不是因为测量的不准确，而是由于这些恒星的位置随时间有真实位移的结果。
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随着无限精确的测量工具和无限强大的望远镜的出现，天文学家已经能够检测出每颗恒星的所谓自行，但在现实中，恒星位置的变动是如此之缓慢，以至于即便是现代天文学家也几乎很难探测到恒星的这种位置偏移。一般来说，检测自行需要对最接近的几颗恒星进行连续多年的仔细观察，如图57所示。换句话说，即使是测量我们最邻近的恒星的自行，那也是一场经年累月的斗争。研究自行的另一个限制是它只能检测横跨天空的运动，对靠近或远离地球的所谓径向速度并没有太好的办法。总之，对自行的检测只能给出有限的恒星速度。
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图57 巴纳德星（圈中所指者）是离我们太阳系最近的第二颗恒星，并且是一颗自行最大的恒星。它每年在天空移动10角秒。这两张照片的拍摄前后相隔近半个世纪，可以看出，这颗星相对于其他所有恒星有显著的移动。为了帮助看清这种位移，右下角构成“＜”状的几颗星星提供了一个有用的参照物。
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然而，威廉·哈金斯意识到，他能够利用光谱学来弥补自行测量上的这种双重不足。他的新光谱技术可用于精确测量任何恒星的径向速度，并且可以被应用于最遥远的恒星。他的想法是基于将光谱仪与奥地利科学家克里斯蒂安·多普勒所发现的一种物理现象的结合。
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1842年，多普勒宣布，物体的运动将影响到它所发出的波，不论这种波是水波、声波还是光波。作为这种多普勒效应的一个简单例子，我们来考察图58所示的图像。图中的青蛙蹲在荷叶上休息，并以每秒一次的节律用它的蹼脚拍水，从而产生一系列的以1米/秒的速度荡开的波。如果我们从上方看，如果荷叶不动，那么我们会看到，波峰形成一系列对称的同心环，如图58的左列（a）所示。两岸的观察者看到的都将是波以相隔1米的间距到达岸边。
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图58 呆在荷叶上的一只青蛙以每秒1次的节律发出水波，水波的波长是1米。当青蛙在水面的位置没有移动时，如图（a）所示，两岸的观察者看到水波的间距是1米。然而当青蛙以0.5m/s的恒定速度向右漂移时，如图（b）所示，那么两岸的观察者看到的是两种不同的效果。在青蛙趋近的一侧，波出现堆积，而在相反的方向上，波变得更稀疏。这是青蛙的移动造成在发射下一个波的过程中波前的不同部分被挤压和疏离的结果，它是水波的多普勒效应的一个例子。
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但如果青蛙在移动，那么情况就变了，如图58（b）所示。想象一下，荷叶和青蛙在以0.5米/秒的速度向右岸漂移，同时青蛙仍继续每秒钟产生一个波，且波划过水面的速度仍是1米/秒。这时的结果是，在青蛙移动的方向上，波会堆积，而在相反方向上波的间距将增大。因此右岸的观察者看到的是波以0.5米的间距到达岸边，而对岸的观察者看到的是波以1.5米的间距到达。一位观察者看到的是一个缩短的波长，而另一位看到的是增加的波长。这就是多普勒效应。