La nucleosintesi stellare è il processo mediante il quale viene creata la maggior parte degli elementi della tavola periodica. Per nucleosintesi si intende la sintesi di nuovi elementi dai nucleoni (protoni e neutroni) di elementi più leggeri. Il risultato del Big Bang all’inizio dell’universo fu una composizione cosmica di circa l’80% di idrogeno e il 20% di elio. Questo processo è chiamato nucleosintesi del Big Bang, o occasionalmente nucleosintesi primordiale, e ha richiesto circa tre minuti. Altri tipi di nucleosintesi includono la nucleosintesi stellare, che avviene nelle stelle per miliardi di anni, e la nucleosintesi delle supernova, che avviene in pochi secondi.
Il gas si è unito in stelle, che fondono i nuclei atomici, producendo enormi quantità di luce e calore e producendo elementi più pesanti nel processo. Nelle stelle della massa del Sole o più piccole, l’energia viene prodotta principalmente usando la reazione a catena protone-protone. La reazione a catena protone-protone avviene a temperature comprese tra 10 e 30 megaKelvin ea pressioni che si trovano al centro delle stelle della massa del Sole o meno. Durante la reazione, gli atomi di idrogeno vengono fusi in deuterio, che vengono poi fusi in elio-3. Quindi gli atomi seguono uno dei tre possibili percorsi per produrre elio e la reazione è finita. La reazione può richiedere fino a 109 anni, il che spiega perché il nostro Sole è ancora in giro.
La catena protone-protone è un tipo di combustione dell’idrogeno, il processo nucleosintetico in cui l’idrogeno stellare viene convertito in elio. Un altro processo di combustione dell’idrogeno, importante nelle stelle più massicce del Sole, è il ciclo CNO (carbonio-azoto-ossigeno). Il ciclo CNO utilizza carbonio, azoto e ossigeno come catalizzatori per la stella per fondere quattro protoni in un nucleo di elio. Dopo che il carbonio si è inizialmente formato, viene convertito in azoto, quindi di nuovo carbonio, quindi di nuovo azoto, quindi ossigeno, quindi azoto, quindi di nuovo in carbonio e il ciclo continua.
Alla fine la maggior parte dell’idrogeno nella stella viene consumata e inizia la combustione dell’elio. Ciò avviene attraverso il processo alfa o il processo triplo alfa. Se una stella è abbastanza massiccia, continuerà a fondere elementi sempre più pesanti attraverso il processo di combustione del carbonio, il processo di combustione del neon, il processo di combustione dell’ossigeno e il processo di combustione del silicio, fino a formare un nucleo di ferro che pesa 1.44 masse solari. Poi, poiché il ferro fuso consuma più energia di quanta ne produca, la stella perde la capacità di sostenere il proprio peso e collassa, a volte catastroficamente come una supernova, un’esplosione che può richiedere giorni o mesi. Il resto è una stella di neutroni o un buco nero.