Payne var i stand til å relatere spektralklassene til stjerner nøyaktig til deres faktiske temperaturer ved å anvende ioniseringsteorien utviklet av den indiske fysikeren Meghnad Saha. Hun viste at den store variasjonen i stjerneabsorpsjonslinjer skyldtes forskjellige mengder ionisering ved forskjellige temperaturer, ikke forskjellige mengder elementer. Hun fant ut at silisium, karbon og andre vanlige metaller som ble sett i solens spektrum, var tilstede i omtrent samme relative mengder som på jorden, i samsvar med den aksepterte troen på den tiden, som mente at stjernene hadde omtrent samme grunnleggende sammensetning som jorden. Hun fant imidlertid at helium og spesielt hydrogen var langt mer rikelig (for hydrogen, med en faktor på omtrent en million). Avhandlingen hennes konkluderte med at hydrogen var den overveldende bestanddelen av stjerner (se Metallicitet), noe som gjør det til det mest utbredte elementet i universet.