当时的困境
1859 年基尔霍夫与本生确立了光谱分析：每种元素有自己特定的谱线，看到谱线就知道有那种元素。这个方法立刻被用到太阳上，人类第一次知道了遥远天体的化学成分。
到二十世纪初，太阳光谱已被测得极详细。铁的谱线数以千计，又多又强；氢的巴尔末线虽然明显，但远谈不上压倒性。
推论似乎很直接：太阳与地球的成分大致相同，以铁、硅、镁、氧这类元素为主。这在当时是共识，权威如亨利·诺里斯·罗素也持这个看法。
推论背后有一个未被检验的前提：谱线的强度正比于元素的含量。这个前提在实验室光谱学里成立——那里温度是控制好的。
洞见时刻
塞西莉亚·佩恩 1925 年的博士论文指出，在恒星大气里这个前提不成立。
她用的工具是印度物理学家萨哈 1920 年提出的电离方程。它给出的是：在给定温度与密度下，一种元素有多大比例处在各个电离态。
而这一点是关键——只有处在特定电离态与激发态的原子，才能产生特定的谱线。
氢在太阳大气那个温度下，绝大多数原子处在基态。而巴尔末线（可见光波段的那组氢线）需要电子先被激发到第二能级才能吸收。处在第二能级的氢原子只占极小的比例，因此可见的氢线远远弱于氢的实际丰度所”应该”产生的强度。
铁则相反：它的多种电离态在那个温度区间都有大量跃迁落在可见波段，因此贡献出成千上万条谱线。
把温度效应逐一扣掉再算含量，答案是：恒星按质量算约四分之三是氢，约四分之一是氦，其余所有元素加起来只占百分之二。
氢比铁多了大约一百万倍。
涟漪效应
审稿人是当时美国天体物理学的权威罗素，他的回信只有一个意思：不可能。定稿里于是多出一句自我否定的话，说这个结论几乎肯定不真实。
四年后，罗素用另一种方法处理太阳大气，得到了同样的结论并发表。此后这个结果被接受，但在很长一段时间里被记在罗素名下。
它随即成为此后半个世纪天体物理的前提。
恒星为什么发光：如果恒星主要是铁，核聚变无从谈起——铁是核结合能最高的元素，聚变或裂变都不放能。正因为主要是氢，贝特 1939 年才能算出质子-质子链与碳氮氧循环。
大爆炸的第一个检验：伽莫夫与阿尔法 1948 年算早期宇宙的核合成时，要解释的正是”为什么宇宙约四分之三是氢、四分之一是氦”这个比例。算出来对上了，这成为大爆炸理论最早的定量支持之一，也是它压倒稳恒态宇宙学的证据之一。
元素从哪来：既然宇宙初始几乎只有氢和氦，那么碳、氧、铁、金必定是后来造出来的。1957 年的 B²FH 论文给出了完整链条：恒星内部烧到铁，更重的元素在超新星与中子星并合中形成。你身上的每一个碳原子都来自某颗死去的恒星——这句话成立的前提，是宇宙原本没有碳。
如果没有它
今天任何一份恒星模型、星系化学演化模型、宇宙学参数拟合，都以氢氦丰度为输入。“金属丰度”这个天文学术语——把氢氦之外的一切统称为”金属”——本身就是这个发现的产物：其余元素少到可以合起来当一个参数处理。
而在方法论上，佩恩的工作确立了一件事：观测到的信号强度不等于物理量的大小，中间隔着一整套物理。这条教训此后在每一个观测学科里反复出现。
天文学家奥托·斯特鲁维后来评价说，这篇论文无疑是天文学史上最杰出的博士论文。