1925年，佩恩撰写了题为《恒星大气》的博士论文。在这篇论文中，佩恩量化了恒星类别的不同表面温度，得出恒星的组成基本上只有氢和氦两种元素，而氢构成了太阳的主要成分。这一洞见如今已经是天文物理学的核心原则，但在当时，佩恩的研究结果获得认可还经历了一番波折。

佩恩完成论文后，率先交给了她的导师沙普利。沙普利在当时的天文学界颇有盛名，他曾对球状星团和造父变星进行了系统的研究，推导出太阳系不在银河系中，为人类认识银河系奠定了基础。他读完佩恩的论文后深感震撼，却对于她的研究结果感到难以置信。

他无法断言佩恩的结论是否正确，出于谨慎，他将文章寄给了恒星成分研究的权威亨利·罗素。佩恩忐忑地等待着学术权威们对她论文的评定，她更希望的是自己的心血获得肯定和鼓舞。然而罗素的回信如同一盆冷水浇在了佩恩的头上。他的回信非常简单，甚至有些冷酷，上面只有一句话：“氢的丰度超过金属上百万倍，很显然，这是不可能的。”

这样一句不经实证的简单断言，轻易地抹杀了一个青年学子多年的努力。佩恩感到非常失望，但她还是仔细检查了自己所用的方法和推论的过程，最后仍旧确信结论是正确的。可这一领域的最有权威的人物都否定了她。那么作为一个还没毕业、尚未在学界站稳脚跟的学生，还能有什么办法去证明自己呢？她无从得知。为了让博士论文顺利发表，她不得不听从导师的意见，调整论文里的措辞。

最终论文是这样表述的：我的测量数据显示氢和氦的含量“高得令人难以置信”，因此“几乎肯定是不真实的”。这种措辞让大家非常满意，沙普利很快帮助她发表了论文，而罗素看到后也对此大加赞赏。虽然论文上有所遗憾，但佩恩最终获得了博士学位，成为历史上第一个获得哈佛大学天文学博士学位的女性。

因为她的论文中没有明确的论断，所以恒星的成分问题依然需要解决。罗素为此花了四年时间，他在研究过程中也发现氢元素是构成太阳的主要元素，这和四年前他拒绝相信的那位女学生的结论如出一辙，但他不敢相信这是真的，于是又反复地验证，直到每次得出的结果都相同，最后不得不接受了。

罗素发表了一篇论文《关于太阳大气的组成》，阐述太阳的主要成分是氢元素。他还在文中写道：“这一结论是不容置疑的。”他引用了佩恩的论文，却对当年的质疑闭口不提，不知道他心里有没有过一丝懊悔和愧疚。

罗素论文发表之后，人们的思想也随之发生了变化，他们重新意识到佩恩的博士论文的价值，更有几位著名的天文学家评价佩恩的论文为“历史上最杰出的博士论文”。虽然迟到了几年，但佩恩终究等来了属于她的荣誉。