Cecilia Helena Payne-Gaposchkin (* 10. Mai 1900 als Cecilia Payne in Wendover, Buckinghamshire, England; † 7. Dezember 1979 in Cambridge (Massachusetts), USA) war eine britisch-amerikanische Astronomin. In ihrer Doktorarbeit beschrieb sie Wasserstoff und Helium als Hauptbestandteile von Sternen und widerlegte damit die damals gängige Lehrmeinung, dass Sterne ähnlich zusammengesetzt sein müssten wie die Erde. Trotz dieser Leistung wurde ihr die Anerkennung für ihre Forschung lange verweigert. Dennoch wurde sie 1956 als erste Frau Professorin an der Harvard University.
Cecilia Payne wurde am 10. Mai 1900 als erstes Kind des Anwalts Edward Payne und der Malerin Emma Pertz in Wendover geboren.
Sie besuchte die St. Paul’s Mädchenschule, von der sie ein Jahr vor dem Abschluss verwiesen wurde. Dennoch konnte sie ihre Abschlussprüfung dort ablegen. Grund des Verweises war, dass sie ein Buch von Platon mit dem Umschlag einer Bibel getarnt hatte, um ihre Lehrkräfte zu täuschen und vorzugeben, ihren Religionsstudien nachzugehen.
Ab 1919 konnte Payne nach bestandenem Aufnahmetest an der Universität Cambridge die Fächerkombination Botanik, Physik und Chemie studieren. Nachdem sie 1919 einen Vortrag des Astronomen Arthur Eddington hörte, fokussierte sie ihr Forschungsinteresse auf die Astronomie.
Zwar konnte sie sich als Studentin einschreiben, allerdings konnten Frauen bis 1948 keinen akademischen Abschluss an der Universität Cambridge erlangen. Sie verließ England 1923, denn mit einem Stipendium in einem Programm zur Frauenförderung konnte sie am Harvard College Observatory als zweite Stipendiatin nach Adelaide Ames forschen und arbeiten. Sie wurde die erste Doktorandin von Harlow Shapley und arbeitete außerdem mit Annie Jump Cannon zusammen, die sich mit der Auswertung von Sternspektren beschäftigte.
1925 wurde sie am Radcliffe College als erste Person in der Astronomie promoviert. Ihre Arbeit trug den Titel Stellar Atmospheres, A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars. Wissenschaftlicher Konsens war damals, dass es zwischen der Erde und Sternen keine signifikanten Unterschiede in der stofflichen Zusammensetzung gibt. In ihrer Dissertation wies Payne jedoch nach, dass die Variabilität der Sternspektren nicht eine entsprechend unterschiedliche Zusammensetzung widerspiegelt, sondern vorwiegend durch die thermische Ionisation verursacht ist. Sie folgerte, dass Wasserstoff und Helium die Hauptbestandteile von Sternen sein müssten. Henry Norris Russell, damals Direktor des Princeton University Observatory und Shapleys Lehrer, weigerte sich jedoch, Paynes Ergebnissen Glauben zu schenken. Stattdessen setzte er sie unter Druck, ihre Ergebnisse zu widerrufen und drohte, andernfalls die Dissertation nicht anzuerkennen. Payne lenkte ein und fügte am Ende ihrer Arbeit einen Passus ein, nach dem die aus den Daten abgeleiteten Ergebnisse höchstwahrscheinlich nicht der Realität entsprächen („almost certainly not real“). Diese Entscheidung bereute sie ein Leben lang.
Nach unabhängigen Messungen bestätigte Russell aber 1929 die Ergebnisse von Payne. Ihre Doktorarbeit wurde im Nachhinein von Otto von Struve als die „zweifellos brillanteste Doktorarbeit“ aus dem Fachbereich Astronomie bezeichnet. Dies nutzte Payne für ihre weitere Karriere aber zunächst wenig. Sie erhielt keinen Ruhm für ihre bahnbrechenden Erkenntnisse und erhielt nach ihrer Dissertation lediglich eine schlecht bezahlte Stelle als technische Assistentin. Jegliches Bemühen um eine Beförderung war erfolglos, da der damalige Havard-Präsident Abbott Lawrence Lowell Frauen im Lehrkörper kategorisch ausschloss.
Trotz der ihr entgegenschlagenden Ablehnung forschte Payne weiter, insbesondere zu veränderlichen Sternen. 1956 wurde sie schließlich Professorin für Astronomie und damit die erste Frau, die an der Harvard University eine Professur innehatte. 1976 wurde ihr zu Ehren ihres Lebenswerks die Henry Norris Russell Lectureship zuerkannt, ein Wissenschaftspreis, der nach dem Mann benannt ist, der die Ergebnisse ihrer Dissertation zunächst noch anzweifelte.
Auf einer Reise durch Europa 1933 lernte sie in Deutschland den in Russland geborenen Astrophysiker Sergei I. Gaposchkin kennen. Sie verhalf ihm zu einem Visum für die Vereinigten Staaten, und die beiden heirateten im März 1934 und ließen sich in Lexington, Massachusetts, nieder. Payne fügte den Namen ihres Mannes zu ihrem eigenen hinzu. Das Paar hatte drei Kinder: Edward, Katherine und Peter.
Sie starb in ihrem Haus in Cambridge, Massachusetts, am 7. Dezember 1979 an Lungenkrebs. Kurz vor ihrem Tod ließ Payne ihre Autobiografie als The Dyer's Hand privat drucken. 1984 wurde sie in dem Band Cecilia Payne-Gaposchkin: An autobiography and other recollections nachgedruckt. In ihrer Autobiografie schreibt sie unter anderem:
Paynes jüngerer Bruder Humfry Payne (1902–1936), der die Schriftstellerin und Filmkritikerin Dilys Powell heiratete, war ein bedeutender Klassischer Archäologe. Paynes Enkelin Cecilia Gaposchkin ist Professorin für spätmittelalterliche Kulturgeschichte und französische Geschichte am Dartmouth College.
Stellar Atmospheres, A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars, PhD thesis, Radcliffe College, 1925, bibcode:1925PhDT.........1P, 215 Seiten.
Introduction to Astronomy, Prentice-Hall, 1954, bibcode:1954inas.book.....G, 508 Seiten.
The 1960 Minimum of R Coronae Borealis, ApJ Vol. 138, 1963, S. 320–341, bibcode:1963ApJ...138..320P.
The galactic novae, Dover Publication, 1964. bibcode:1964gano.book.....P
Seit 1936 war Payne-Gaposchkin Mitglied der American Philosophical Society. 1943 wurde sie in die American Academy of Arts and Sciences gewählt.
1934 Annie J. Cannon Award in Astronomy
1976 Henry Norris Russell Lectureship