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关于星际气体，我们所知的大部分信息是费了很大工夫探测星际原子和分子的辐射搜集的。氢原子由一个质子和一个绕质子旋转的电子组成，它会以两种大相径庭的方式释放辐射。一种是电子自旋相对于质子自旋发生翻转：二者自旋反向的原子，能量会略高于同向的原子，所以反向原子在电子自旋翻转时会发射一个光子。这个光子的波长（21厘米）远远大于原子的大小，所以原子发射这种长波辐射的效率非常低。实际上，如果考察单个反向原子，那么它可能会保持原状上亿年，才会坍缩到能量更低的状态。所幸，星际空间的深处没有太多干扰，那里有非常多的氢原子等着完成这一跃迁。所以，如果将广播天线调到这个奇特的频率，就能接收到翻转原子的强烈信号。这种信号由弗兰克·范德赫斯特率先预言，当时他还是学生，在纳粹占领下的荷兰莱顿上学。真正探测到它，则是得益于战时的雷达研究。1951年，荷兰、澳大利亚、美国的研究团队同时宣布发现了这个信号。
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探测到氢原子21厘米的辐射，使我们大幅加深了对银河系的了解，因为我们由此第一次获得了银河系旋转的清晰图像。辐射透露了发射原子的运动状态，因为对于相对原子保持静止的观察者而言，原子辐射的频率已经有了精确的测量结果。如果原子相对于观察者在运动，测到的频率也会变化：靠近观测者时频率变大，远离时变小（即多普勒效应）。
氢分子不会与能量低于紫外线的光子相互作用，而满足条件的光子很少，所以氢分子几乎不可见。这是天文学家面对的一个大问题，因为银河系的星际气体大约有一半是氢分子。而且，它们在许多方面是最重要的那一半，因为它们又冷又致密，能够转变为恒星与行星。幸好一氧化碳能很好地标示氢分子的位置。一氧化碳分子是“电偶极子”，因为电子分配不均匀，氧原子能控制更多电子，使碳原子那端带正电，氧原子那端带负电。除非气体温度极低，否则一氧化碳分子会在运动时旋转，而旋转的电偶极子会发射电磁波。这些波的频率非常精确，因为量子力学会将自转限定为一系列的离散值：分子可以无旋转（量子数 j =0），或以1单位（ j =1）、2单位等旋转，以此类推。此外，分子每次只能将旋转状态改变1单位，当它从旋转状态 j 变为 j -1时会发射一个光子，光子携带的能量正比于 j 。所以，出射光子的所有频率都是由 j =1跃迁到 j =0的基础频率的倍数。基态光子的波长为2.3毫米，因为波长与频率成反比，所以由 j 跃迁到 j -1的光子波长为2.3/ j 毫米。
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某分子以 j 旋转的概率取决于气体的温度。如果温度低，能量就不够多，旋转快或运动快的分子更少。而在高温时，分子的旋转和运动都会变快。因此， j =4与 j =1的分子数比例会随着温度上升而增大。由此，随着温度上升，与波长2.3毫米谱线的强度相比，波长为2.3/4毫米的谱线强度会变强。因此，我们可以测量多条谱线，进而确定气体的温度。
到了1970年代，我们终于能够探测银河系的前几条谱线，由此绘制了星际介质中更致密、温度更低区域的分布图。
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我们早已绘制了邻近星系的21厘米和2.3毫米谱线图。现在，我们能够探测极远星系的一氧化碳，而且全球多国正在合作建设一座巨型射电望远镜——平方千米阵列，预计在2020年后绘制第一批恒星和星系形成前发射21厘米辐射的气体的分布图
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处于基态的氢原子不会吸收可见光光子，但它会吸收能量高的紫外线光子，后者携带的能量超过了10.2电子伏。携带10.2电子伏能量的光子叫作莱曼α光子，它们在天文学中起着重要作用，因为它们很容易被氢原子散射——氢原子会吸收一个光子，然后再将它从另一个方向发射出去。
能量高于13.6电子伏的光子会将氢原子的电子剥离。也就是说，它们能将氢原子电离，把它拆成一个自由电子和一个质子。随后，质子很可能会捕获路过的自由电子，同时发射一个光子。第一个出射光子大概只携带着少许能量，因为电子一开始可能只受到了轻微的束缚。但电子一旦捕获成功，就很可能会像一个在楼梯上失去了平衡的醉鬼那样，不断地“下落”，在质子的电场中越陷越深，每下落一步就发射一个光子。电子落到阶梯倒数第二级时释放的光子叫作 巴耳末光子 。能量最低的巴耳末光子是Hα光子，呈现出漂亮的粉红色，在天文照片中出现在生成恒星的地方，因为这些区域的炽热恒星会将周围的气体电离，为质子、电子提供了重新结合的场所。
紫外线光子不仅对原子有巨大影响，对分子也是如此，因为它们会将分子拆解为原子，也就是会将分子 离解 。实际上，这是分子被破坏的主要方式——分子在尘粒中形成，又被紫外线光子摧毁。因此，星际气体的化学组分取决于紫外线光子破坏力与尘粒合成作用的平衡。气体的密度越高，原子与尘粒就碰撞得越频繁，合并为分子的原子占比也更大。而且，尘粒的密度越大，热恒星的紫外线光子在离解分子前就被它们吸收的比例也越大。因此，分子形式的气体比例随气体密度增大而迅速增大。
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如果某个区域的气体密度变大，那里就更容易出现失控，因为密度会不断增大，几乎没有尽头。之所以会失控，是因为随着气体密度增大，附近恒星发射的紫外线光子更难不被吸收而进入气体云内部。但我们已经知道，尘粒是星际气体的主要热源，一氧化碳等分子会辐射能量。因此，紫外线光子密度下降、分子占比上升，会导致气体冷却。同密度下，更冷的气体产生的压强更低，因此气体在冷却过程中，会因为自身引力的牵引而收缩。气体密度越来越高，紫外线光子越来越少，气体越来越冷、越来越致密。这样的密度失控先是形成了图2中的暗球状体，然后便形成了恒星。