Han gjorde et banebrytende arbeid med å bestemme nordlysets spekter og sammensetting av den øvre atmosfæren. Allerede i 1913 fant Vegard at den blåfiolette fargen i nordlyset er lys fra nitrogenmolekyler, og at spektralfordeling av nordlyset gir informasjon om atmosfærens sammensetning og energien av de partikler som forårsaker nordlys. Videre fant han ut spektre kan bestemme temperaturen på den gassen som sender ut lyset. I 1939 oppdaget han at nordlyset inneholder spektrallinjer fra hydrogen. Vegard har fått sitt navn knyttet til et båndsystem i nitrogenspekteret, Vegard–Kaplan-båndene.