Payne innså at hennes eneste karrierealternativ i Storbritannia var å bli lærer, så hun lette etter stipender som kunne gjøre det mulig for henne å flytte til USA. Etter å ha blitt introdusert for Harlow Shapley, direktør for Harvard College Observatory, hvor han nettopp hadde etablert et kandidatprogram i astronomi, forlot hun England i 1923. Dette ble muliggjort av et stipend for å oppmuntre kvinner til å studere ved observatoriet. Adelaide Ames ble den første studenten på stipendiet i 1922; den andre var Payne.