“太陽是一團熾熱的等離子體，一座巨大的核熔爐，氫在太陽的核心被聚變成氦，釋放出巨大的能量。”
估計現在連小孩子都知道，太陽是一個由氫元素聚變成重元素的核熔爐，太陽發光發熱的方式已在我們心中根深蒂固！以至於現在很少會回想起來，僅在100年前，我們甚至還不知道太陽是由什麼構成的，更不用說是什麼給它提供瞭如此巨大的能量！
早期開爾文對太陽發光發熱的研究
幾個世紀以來，根據萬有引力定律，我們知道了太陽的質量大約是地球的30萬倍，通過測量地球接收到的能量，我們知道了太陽的功率約為4×10^26瓦，這大約是地球上最大發電廠釋放能量的10^16倍。
但我們不知道太陽的能量來自哪裡。開爾文勳爵就是著手解決這個問題的人。
根據達爾文的研究，很明顯地球至少需要數億年的進化才能產生我們今天看到的生物多樣性，而從同時期的地質學家來看，地球顯然已經存在了至少幾十億年。但是什麼樣的能量來源能在如此長的一段時間內保持如此高的能量輸出呢？開爾文勳爵（發現絕對零度存在的著名科學家）考慮了以下三種可能性：
- 太陽在燃燒某種燃料。
- 太陽在吞噬太陽系內某種物質。
- 太陽通過自身的引力來產生能量。
事實證明，每一種可能所釋放能量都不足以維持如此長時間的能量輸出。
- 太陽在燃燒某種燃料。
第一種可能性是太陽燃燒某種燃料，這在當時聽起來很有道理。
大多數“可燃”燃料要麼是氫，要麼是碳氫化合物，要麼是TNT，所有這些都能與氧氣結合，釋放出巨大的能量。如果太陽完全是由這些燃料中的一種組成的，那麼就會有足夠的材料讓太陽產生驚人的能量4×10^26瓦，並且能持續數萬年。但不幸的是，這段時間與人類的壽命相比，確實相當長，但還不足以說明生命、地球或太陽系的漫長進化史。因此，開爾文排除了這種可能性。
- 太陽正在吞噬太陽系內的某種物質。
第二種可能性更有趣一些。既然第一種可能性的燃料不夠燃燒，不可能通過現有的原子來維持太陽的能量輸出，但原則上可以不斷地向太陽添加某種燃料來保持它持續燃燒。眾所周知，彗星和小行星在我們的太陽系中大量存在，只要有足夠的新（未燃燒的）燃料以大致穩定的速度被添加到太陽中，它的燃燒壽命就可以大幅度延長。
但是，我們不能隨意的給太陽增加質量，因為在某種程度上，太陽質量的增加會輕微地改變行星的軌道，自從16世紀第谷·布拉赫時代以來，人們就能以極高的精度計算出行星的運行軌道。簡單的計算表明，即使只是給太陽增加少量的質量（在過去幾個世紀裡不到千分之一）也會產生可測量的效果，而穩定的、可觀測的橢圓軌道排除了這種可能性。所以，開爾文認為，這就只剩下第三種選擇了。
- 太陽通過自身的引力產生能量。
太陽釋放的能量可能是由引力收縮提供的。根據我們的普遍經驗，一個球在地球上上升到一定的高度，然後釋放，它下落的時候就會加快速度，增加動能，當它與地球表面碰撞並靜止時，就會將動能轉化為熱量（和變形）。相同類型的初始能量（重力勢能），就會導致分子氣體雲在收縮的時候變得更密集，然後就會升溫。
由於引力收縮後會比以前的彌散氣體雲小得多（更接近球形），所以就需要很長一段時間才能將所有的熱能輻射到天體表面。開爾文是當時世界上研究這一力學機制最重要的專家，開爾文-赫爾姆霍茲機制是以他在這一領域的研究成果命名的。開爾文計算出，像太陽質量的天體，如果它能釋放出和太陽一樣多的能量，其壽命大約是幾千萬年，更準確地說是兩千萬到一億年間。
雖然年齡有所增加，但這一定是錯的！有些恆星確實是通過引力收縮獲得能量，但那些是白矮星，不是像太陽這樣的恆星。開爾文關於太陽（和恆星）的年齡估計實在是太小了，這不足以解釋我們所觀察到的一切，因此，要解決這個問題需要幾代人的時間，以及一種新力（核力）的發現。
與此同時，我們甚至還不知道太陽是由什麼構成的。當時的普遍看法是，太陽幾乎是由與地球相同的元素構成的！儘管這對你來說可能有點荒謬，但考慮一下下面的證據。
對太陽光譜的研究，以及對恆星的分類
元素週期表上的每一個元素都有一個特徵光譜。當原子被加熱時，電子向低能態的回落時會產生髮射譜線；當光照射到原子的時候，它們會吸收相同波長的光線。所以如果我們觀察太陽光不同的波長，我們就可以通過它的吸收特徵找出它的最外層有哪些元素。
這種技術被稱為光譜學，從一個物體發出的光被分解成其各自的波長以供進一步研究。當我們對太陽光譜進行分析時，我們會發現...
基本上，這些元素和我們在地球上發現的是一樣的。但究竟是什麼，使得這些線條呈現出相對不同的強度。例如，在上圖中會注意到有些吸收線非常窄，而有些吸收線非常深、非常強。仔細觀察可見光譜中最強的吸收線，其波長為6563埃。
是什麼決定了這些吸收線的強度？結果表明有兩個因素，其中一個是：擁有的元素越多，吸收線就越強。那個特定的波長6563埃 ，就是氫元素的吸收譜線。
但要弄清這些線條的強度，還必須瞭解第二個因素：原子的電離水平。
不同的原子在不同的能量下會失去一個電子（或多個電子）。因此不同的元素不僅各有一個與之相關的特徵光譜，相同的元素還可能以多種不同的電離態（少了一個電子、兩個或三個電子，等等）存在，所以每個元素都有自己獨特的光譜！
因為能量是決定原子電離狀態的唯一因素，這就意味著不同的溫度會導致不同的相對電離水平，從而導致不同的相對吸收水平。
當我們觀察宇宙中的恆星時，可以看到它們有很多種不同的類型，如果肉眼看不清楚的話，任何望遠鏡或雙筒望遠鏡都能馬上看清楚恆星的區別。
很明顯，宇宙中的恆星有著截然不同的顏色，這就告訴我們，恆星表面的溫度彼此相差很大。因為溫度一樣物體會發出同樣類型的（黑體）輻射，當我們看到不同顏色的恆星時，我們實際上是在探測它們之間的溫度差：藍星更熱，紅星更冷。
這正是美國女天文學家安妮·坎農（Annie Jump Cannon）根據顏色和溫度對恆星進行分類的方法，在一端是最熱、最藍的o型恆星，另一端是最冷、最紅的m型恆星。
但這並不是對恆星分類時我們考慮的全部因素。因為如果我們只是根據溫度來給恆星分類，那為什麼不是“ABCDEFG”，而是“OBAFGKM”呢？畢竟前者更簡單一些。
這裡有個故事。在這個現代的分類方案形成之前，我們還觀察了恆星中吸收線的相對強度，然後根據譜線是否出現對它們進行分類。這是我們對恆星分類考慮的另外一個因素。
不同的吸收線在特定的溫度下會忽隱忽現，因為原子被不同程度電離後其電子就無法進行特定的原子躍遷，而在極端溫度下完全電離的原子就沒有吸收線！所以當我們測量一顆恆星的吸收線時，我們需要了解它的溫度是多少（它的電離特性)，以便正確地得出它內部元素的相對丰度是多少。
現在我們回到太陽光譜，瞭解不同的原子是什麼，它們的原子光譜是怎樣的，以及它們的電離特性，我們就能從中得出各種元素的組成比例！
事實上，在太陽上發現的元素和在地球上發現的元素幾乎是一樣的，除了兩個例外：氦和氫都比地球上的含量多得多。氦在太陽上的含量是地球上的數千倍，而氫在太陽上的含量是地球上的100萬倍。
只有綜合以上的所有知識：顏色和溫度之間的關係（根據黑體輻射），原子電離程度如何受到溫度的影響，以及吸收線的強度如何與電離有關，我們才能算出恆星中元素的相對丰度。
總結：首次發現太陽組成成分的女性天文學家
知道是哪位科學家把這些需要考慮的因素結合在一起的嗎？一個25歲的女人，但她從未得到應有的榮譽。
塞西莉亞·佩恩，她早在1925年在自己的博士論文中做了這項研究！(天文學家奧托·斯特魯夫稱這篇論文“無疑是天文學領域有史以來最出色的博士論文”）她是第二位通過哈佛大學天文臺（Harvard College Observatory）獲得天文學博士學位的女性。她最初的母校劍橋大學直到1948年才向女性授予博士學位。後來，她開創了非凡的天文學事業，成為哈佛大學第一位女性系主任、哈佛大學第一位女性終身教授，激勵著一代又一代的天文學家。
在歷史上，亨利·諾里斯·羅素（赫茨普龍-羅素圖的中的“羅素”）經常被認為是發現太陽主要由氫組成的人，因為他勸阻佩恩不要發表她的結論，他說這是“不可能的”，但在四年後自己卻陳述了這一結論。
這是塞西莉亞·佩恩（Cecilia Payne）的偉大發現，她的成功當之無愧。吸收線的強度加上恆星的溫度和已知原子的電離特性，使我們得出一個不可避免的結論：太陽的質量主要是氫！多年後，我們發現，正是這些氫聚變形成氦，為太陽和大多數恆星提供了能量，這一切之所以成為可能，要歸功於塞西莉亞·佩恩(Cecilia Payne)，以及她對恆星運行和組成的驚人洞見力。
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