Payne era capaç de relacionar amb precisió les classes espectrals d'estrelles amb les seves temperatures reals mitjançant l'aplicació de la teoria de ionització desenvolupada pel físic indi Meghnad.

Va demostrar que la gran variació en les línies d'absorció estel·lars era a causa de les diferents quantitats de ionització a diferents temperatures, no per diferents quantitats d'elements.

Es va trobar que el silici, el carbonii altres metalls comuns que s'observen en l'espectre del Soleren presents en aproximadament les mateixes quantitats relatives com ho són a la Terra, d'acord amb la creença acceptada en aquell temps, que sostenia que les estrelles tenien aproximadament la mateixa composició elemental que la Terra.

No obstant això, es va descobrir que l'heli i particularment l'hidrogen eren molt més abundants (per hidrogen, per un factor d'un sobre un milió). Per tant, la seva tesi estableix que l'hidrogen és el constituent aclaparador de les estrelles i en conseqüència era l'element més abundant de l'univers.