세실리아 페인은 당시 스펙트럼의 흡수선을 남들과는 다른 각도에서 분석했는데, 스펙트럼의 흡수선이 다양한 원소들에 의해서 생기는 게 아니라, 하나의 원소가 높은 온도에서 이온화되면서 에너지 준위가 달라지면서 생기는 일이라고 가정했고 그 원소가 수소라고 추측했습니다. 이를 바탕으로 스펙트럼을 새롭게 해석해내어 헬륨과 수소와 같은 가벼운 원소가 태양의 주 성분이라는 결과를 내놓습니다.

그러나 당시, '철태양설' 학파의 대부이자 천문학계를 주름잡던 헨리 러셀을 위시한 천문학계는 이러한 이단적 의견을 수용할 분위기가 아니었고, 세실리아 페인은 그녀의 논문 말미에 '그러나 수소가 태양을 구성한다는 것은 아마도 사실이 아닐 것이다.'라는 말을 넣음으로서 그 논문을 간신히 발표할 수 있었습니다. 4년 뒤 러셀은 독자적인 실험을 통해 페인의 연구와 같은 결과를 얻었고, 결국 페인의 연구를 인정하게 됩니다. 한 동안은 태양의 주 구성성분이 수소라는 것을 밝혀낸 공로자로 세실리아 페인이 아니라 러셀이 그 이름을 올리기도 했는데 이는 나중에 학계에서 정정되게 됩니다.

세실리아 페인의 연구는 스펙트럼과 대기중의 이온화된 수소, 그리고 고온에서 수소의 에너지 준위가 어떻게 변하는 지 등 여러가지 중요한 물리적,천문학적 의미를 가진다고 평가받습니다. 또한 태양의 주 구성성분이 수소이며 핵융합을 통해 에너지를 낸다는 사실은 아인슈타인의 상대성이론에 부합하는 결과이기도 합니다. 재미있는 것은 페인은 아인슈타인의 상대성이론이 증명된 장소 중 하나인 서아프리카의 프린시페에서 그의 강의를 들었었다는 점입니다.

페인의 연구는 다른 학설에도 영향을 끼쳤는데, 기존의 '암석으로 이루어진 태양'이 어떻게 수백만년동안 지구에 안정적으로 에너지를 공급해왔는 지에 대한 문제에 깔끔한 답을 내려준 것이 그것입니다. 진화론에 따르면 지구는 최소한 수백만년 이상 태양으로부터 에너지를 공급받아왔어야 했는데, 기존의 학설로는 태양이 그렇게 오랫동안 꾸준히 에너지를 낼 수 있는 이유를 설명하기 어려웠지만 이제는 그렇지 않죠.

또 페인의 연구는 빅뱅이론에 부합하기도 하는데, 태양의 구성성분이 빅뱅이론에 의해 예측된 우주의 원소분포와도 일치했습니다. 그리고 이는 여성에게 학위를 내려주지 않은 케임브릿지에서 고민하던 페인에게 미국 이민을 추천한 섀플리의 이론에도 부합하는 결과를 냈죠. 섀플리가 여성천문학자였던 리비트의 연구 때문에 자신이 지지하던 '우리은하우주'설이 무너졌던 것을 생각하면 참 재미있는 우연이 아닐 수 없죠.