Generalmente, a partir de líneas de absorción en el espectro . Observamos la luz del objeto, la pasamos por un espectroscopio y obtenemos algo como esto:
(Este ejemplo es de la luz directamente de una estrella, no se refleja de un cuerpo oscuro, pero es una buena imagen y los principios son los mismos).
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Los objetos calientes como el Sol emiten naturalmente un amplio espectro de luz, por lo que esas longitudes de onda en las que vemos líneas oscuras en el diagrama de colores, o caídas pronunciadas en el gráfico, se deben a que algo absorbe la luz en esas longitudes de onda. Cada elemento químico y compuesto tiene longitudes de onda características a las que absorbe; estos corresponden a energías de transición entre estados electrónicos, pero más pragmáticamente se pueden observar girando nuestro espectroscopio en los mismos elementos y compuestos en el laboratorio.
Aquí hay un ejemplo muy cercano al escenario en los detalles de la pregunta:
Las dos líneas inferiores son el espectro de absorción observado para parches helados en la luna Io de Júpiter. La línea superior es el espectro de absorción de hielo de dióxido de azufre en el laboratorio. Las principales longitudes de onda de absorción se alinean, lo que es una buena evidencia de que el hielo visto en Io es en gran parte dióxido de azufre.
Ver http://en.wikipedia.org/wiki/Abs…, que también es donde obtuve el ejemplo de Io.
