A színképelemzés vagy spektrumanalízis az összetevőire bontott elektromágneses sugárzás, a színkép vizsgálatát jelenti. A színképelemzéssel foglalkozó tudományágat spektroszkópiának nevezzük.
A csillagok atmoszférájának az összetételére és a fizikai állapotára vonatkozó ismereteinket a csillagászati színképelemzés eredményei tették lehetővé. (Az általános értelemben vett színképelemzéshez lásd: Spektroszkópia.) A csillagászati színképelemzés során megvizsgálják az egyes hullámhossztartományok intenzitását, erősségét ill. fényességét, továbbá az ún. Fraunhofer-féle vonalak helyzetét és szélességét. Ez utóbbiakat a földi anyagok színképelemzési eredményeivel összehasonlítva bizonyos elemeknek és vegyületeknek a csillag légkörében való előfordulására következtethetünk. A fényintenzitás folytonos színképi eloszlása a hőmérséklettől és az anyagi összetételtől függ, így ebből meghatározható a csillagok egyik legfontosabb tulajdonsága, a felszíni hőmérséklet. A színképvonalak Doppler-eltolódásának vizsgálatával információt nyerhetünk a csillag látóirányú (radiális) sebességéről, majd ebből közvetve – kettős vagy többesrendszer esetén – a rendszer tagjainak tömegére és egyéb fizikai tulajdonságaira következtethetünk.
A csillagászati színképelemzés története +<small>A Fraunhofer által megfigyelt spektrumvonalak közül a legjelentősebbek (köztük a híres Na kettős vonal)<small> Fraunhofer- jelölés Hullámhossz (nm) A vonal kémiai eredete Ekvivalens szélesség (pm) <center>A<center> 759,370 <center>atmoszferikus O2<center> <center>–<center> <center>B<center> 686,719 <center>atmoszferikus O2<center> <center>–<center> <center>C<center> 656,281 <center>hidrogén alfa (Hα)<center> <center>402,0<center> <center>D1<center> 589,592 <center>semleges nátrium (Na I)<center> <center>56,4<center> <center>D2<center> 588,995 <center>semleges nátrium (Na I)<center> <center>75,2<center> <center>E<center> 527,039 <center>semleges vas (Fe I)<center>
<center>F<center> 486,134 <center>hidrogén béta (Hβ)<center> <center>368,0<center> <center>G<center> 431,42 <center>CH molekula<center>
<center>H<center> 396,847 <center>ionizált kalcium (Ca II)<center> <center>1546,7<center> <center>K<center> 393,368 <center>ionizált kalcium (Ca II)<center> <center>2025,3<center> <center>L<center> 382,044 <center>vas<center> <center><center> <center>N<center> 358,121 <center>vas<center> <center><center> <center>P<center> 336,112 <center>ionizált titán<center> <center><center> <center>T<center> 302,108 <center>vas<center> <center><center>
A spectrum kifejezést Newton használta először annak a jelenségnek a megfigyelése kapcsán, hogy a napfény egy prizmán áthaladva színekre bomlik. Bár erről a felfedezésről egy kézírásos dokumentum szerint a Royal Societynek 1672-ben számolt be először, egy korábban megírt leveléből a fehér fény színekre bontásának felfedezését 1666-ra tehetjük. A Nap fényében láthatatlanul jelenlévő színekre használta a latin eredetű spectrum szót.http://uni-leipzig.de/~energy/pdf/freuse1.pdf Felfedezéséről és észrevételeiről később az 1704-ben megjelent Optika című művében is írt, ahol tisztázta a színek természetét.
A 18. század elején többen (Descartes, Hooke, Herschel) is kísérleteztek a Nap fényének felbontásával. A jelenség behatóbb tanulmányozása Wollaston (1766–1828) nevéhez fűződik, aki rést is alkalmazott a kísérleteinél, és elsőként fedezte fel a napszínkép abszorpciós (elnyelési) vonalait. Szám szerint 7 spektrumvonalat figyelt meg – köztük a Na-kettős vonalát (dublett) –, jelentőségüket azonban nem ismerte fel. Ez egy német fizikus, Joseph von Fraunhofer (1787–1826) nevéhez köthető. Fraunhofer építette meg az első spektroszkópnak nevezett eszközt, ebben a diszperzív optikai elemként használt prizmán és a résen kívül kollimátorlencse is volt a fény útjában, ez gyűjtötte össze a fénysugarakat. Ezzel a berendezéssel Fraunhofer a Nap spektrumában mintegy 600 vonalat (mai néven Fraunhofer-féle vonalak) talált; melyek közül 350-nek a pontos pozícióját is meghatározta, kiszámítva az általuk kitakart színek hullámhosszát. Ezzel 1814-ben megszületett a csillagászati spektroszkópia.
Fraunhofer felfedezésével egy időben, 1823-ban, W. H. Fox Talbot és John Herschel (William Herschel fia) különféle elemekkel festett lángok színképét vizsgálták, és utaltak rá, hogy ez alapján kémiai analízis végezhető. Brewster 1832-ben felfedezte, hogy a Fraunhofer-féle vonalak földi fényforrással is előállíthatók. A salétromsav gőzén átbocsátott napfény színképében mintegy 2000 vonalat számlált meg. Azt is megfigyelte, hogy a vonalak száma nő, ha növeljük a gázréteg vastagságát, sűrűségét vagy hőmérsékletét. E kísérletei nyomán Brewster úgy gondolta, hogy a Nap fehér fényéből a Föld légköre szűr ki bizonyos színeket, és ezek helyén észleljük a Fraunhofer-féle vonalakat. 1849-ben Foucault különféle eredetű színképek vizsgálatával szintén egy alapvető felismerésre jutott: a spektrum abszorpciós vagy emissziós volta attól függ, hogy a fény közvetlenül a fényforrásból érkezik-e hozzánk, vagy a fényforrást elhagyva egy adott anyagon haladt át. 1859-ben Foucault, és Bunsen (1811–1899) eredményeit felhasználva Kirchhoff (1824–1887) felállította a klasszikus spektrumanalízis három alaptörvényét:
thumb|right|400px|A vas emissziós színképe thumb|right|400px|A hidrogén emissziós színképe. A vonalsorozat két legfényesebb tagja a hidrogén-alfa (vörös) és a hidrogén-béta (kék) vonal
Az izzásig hevített szilárd testek, folyadékok, valamint a magas hőmérsékletű és nagynyomású gázok folytonos spektrumú elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, mindenféle színképvonalak nélkül. Ez a kontinuum. Világító gázok kisebb nyomás és alacsonyabb hőmérséklet mellett különálló, fényes emissziós vonalakat mutatnak. Minden egyes kémiai elemhez egyedi vonalsorozat tartozik; valamely világító gáz emissziós színképe tehát elárulja a gáz kémiai összetételét. Ha egy önmagában folytonos színképet adó anyag fénye egy hűvösebb gázon halad keresztül, akkor a kontinuumon azoknál a hullámhosszaknál jelentkeznek sötét abszorpciós vonalak, amelyeknél az átvilágított gáz emissziós vonalakat adna, ha önmaga világítana. Tehát minden kémiai elem a rá jellemző hullámhosszokon nyel el és bocsát ki sugárzást.
thumb|center|800px|A nitrogén emissziós színképe. Jól megfigyelhetők a kontinuumra rakódó fényes emissziós vonalak
A színképelemzések eredményei alapján Kirchhoff és Bunsen 1860–61-ben két új kémiai elemet fedezett fel: a céziumot és a rubídiumot.
Azt, hogy az egyes csillagok színképei különböznek egymástól, már Fraunhofer megállapította. A csillagokat színképeik alapján először Angelo Secchi (1818–1878) sorolta osztályokba — először csak három osztályt különített el; majd az átmenetek miatt a rendszert két továbbival bővítette.
A következő lépés az Edward Charles Pickering vezette Harvard Obszervatóriumban főleg Antonia Maury és Annie Jump Cannon mérései alapján kidolgozott rendszer, amelynek csoportjait az ábécé nagybetűivel jelölték. 1900 táján az addigi munkát kritikusan átvizsgálták, egyes csoportokat megszüntettek, a korábbi sorrendet megváltoztatták, így alakult ki a ma használatos csillagászati színképosztályozás alapja, a Harvard-osztályozás, amelyben az osztályok O–B–A–F–G–K–M sorban a fehértől a vörös felé haladva, tehát a hőmérséklet csökkenésének rendjében követik egymást (ezt a sort később egészítették ki az R, N és S különleges osztályokkal). Ezt a rendszert használva adták ki 1903-ban első fotografikus atlaszukat az északi félgömb 12 magnitudónál fényesebb csillagairól.Dieter B. Herrmann: Az égbolt felfedezői. Gondolat Kiadó, Budapest, 1981., p. 136.
A csillagászati színképelemzés elméleti alapjai
A színképvonalak és színképsávok kvantumos elmélete A színképelemzés kvantumos elméletét csak sokkal később, a Bohr-féle atommodell (1913) megszületésekor dolgozták ki. Eszerint folytonos sugárzás keletkezik olyan szabad elektronoknak a lehetséges energiaszintek (pályák) valamelyikére történő ugrásnál, amelyek előtte az atommagok között szabadon mozogtak. Az egyedi esetekben keletkező sugárzás hullámhossza az elektron befogása előtti állapot energiájának és az elért pálya energiaszintjének különbségével arányos (Bohr III. törvénye alapján). Mivel az eredetileg szabad elektronok energiája jelentősen eltér egymástól, ezért a befogási folyamatnál jelentősen eltérő hullámhosszak keletkeznek, amelyek egyetlen kontinuummá „kenődnek szét”.
Tehát a színképeknél alapvetően két típust különböztetünk meg: folytonos és nem folytonos színképek. A nem folytonos színképek lehetnek vonalasak vagy sávosak, ami attól függ, hogy a színképet létrehozó részecske atom-e vagy molekula. A vonalas színképeket szériesz- és multiplett-spektrumokra osztjuk. Szériesz-spektrumoknál az alapnívóhoz magasabb nívók végtelen sorozata csatlakozik. Ilyen színképe van az egy vegyértékelektronnal rendelkező atomoknak, például a hidrogénnek. Az elektron lehetséges energiaállapotainak feltüntetésére a termeket használjuk. Multiplett spektrumok a több vegyértékelektronnal rendelkező atomok esetében jönnek létre, ekkor a termséma bonyolultabbá válik, aminek megfelelően bonyolultabbak és sokrétűbbek lesznek a spektrumok is; vonal helyett vonalcsoportok, azaz multiplettek jönnek létre. A molekulák energiaátmeneteiből kapott színképek sávosak, mivel egy-egy energiaszint sok, egymástól nem sokban különböző alszintre bomlik, emiatt a vonalak egymáshoz szorosan közel helyezkednek el. Így a molekulák vonalas színképének tanulmányozásához nagy felbontású spektroszkópiai eszközökre és különleges technikára van szükség. A molekulák színképvonalai jóval bonyolultabb módon alakulnak ki, mint atomok színképvonalai. Itt ugyanis az elektronok mozgásán kívül az atommagok rezgéseket végeznek a magokat összekötő molekulatengely mentén, bizonyos egyensúlyi magtávolság környezetében, továbbá az egész molekula forog a súlypontján átmenő, a molekulatengelyre merőleges tengely körül. Ezért közelítőleg – a háromfajta mozgás közti kölcsönhatás elhanyagolásával – a molekula teljes energiája az elektron-, a rezgési és a forgási energia összege. A molekula rezgése és forgása különböző meghatározott energiaszinteken lehetséges. Amikor egy magasabb energiaszinten lévő gerjesztett molekula alacsonyabb szintre megy át, az energiakülönbséget egy foton formájában sugározza ki. Mindezek alapján a sávos molekulaszínképeknél három típust különböztetünk meg: tiszta rotációs (forgási) színkép keletkezése során csak a forgási energia változik meg, az elektronállapot és a rezgésállapot nem. Ezek a molekulasávok a távoli infravörösbe és a mikrohullámú tartományba esnek. vibrációs-rotációs spektrumok kvantumátmenetei esetében megváltozik a rezgési állapot és a rotációs állapot, változatlan az elektronállapot. Ezek a sávok a közeli infravörös (NIR) tartományba esnek. elektronsáv-színképek esetében mindhárom állapot megváltozik. Az így keletkezett sávok az ultraibolya (UV), a látható (VIS), vagy az infravörös (IR) tartományba esnek. Az elektronsáv-színképek vizsgálata azért lényeges, mert segítségével meghatározható a magtávolság, a magrezgések frekvenciája illetve az elektronok elrendeződése. Az egyes elektronállapotokat bizonyos kvantumszámokkal és szimmetria tulajdonságokkal lehet jellemezni. Így például az atomok s, p, d, f,.. állapotaihoz hasonlóan megkülönböztetünk Σ, Π, Δ, Φ,... molekulaállapotokat aszerint, hogy az elektronok teljes impulzusmomentumának vetülete a molekulatengely irányára h/2π-nek 0, 1, 2,...-szerese.
A csillagászati színképelemzéseknél megfigyelt molekulák mind egyszerű felépítésűek, legtöbbjük kétatomos, ami a csillagok légkörének magas hőmérsékletével magyarázható. Magas hőmérsékleten ugyanis a molekulák disszociálnak (szabad atomokra bomlanak fel). A molekulasávok ezért a viszonylag hidegebb csillagok (például barna törpék) spektrumában figyelhetők meg.