Un élément chimique est un type d’atome, comme l’hydrogène ou l’oxygène. En 2011, 118 éléments avaient été observés, dont 98 se produisent naturellement sur Terre. 20 éléments sont créés artificiellement dans des réacteurs nucléaires ou des expériences d’accélérateurs de particules. Le premier élément synthétique à être créé en quantités substantielles était le plutonium, l’élément 94. Le plutonium est également l’atome le plus lourd que l’on trouve naturellement sur Terre. Avec une demi-vie de seulement 80 millions d’années, le plutonium est présent en quantités extrêmement faibles dans les minerais d’uranium.
Les éléments chimiques actuels proviennent de l’une des trois sources suivantes : la nucléosynthèse de la supernova, la nucléosynthèse stellaire et la nucléosynthèse du Big Bang. La nucléosynthèse se produit lorsque les noyaux atomiques sont pressés ensemble si étroitement et à une chaleur si élevée qu’ils surmontent la répulsion mutuelle de leurs couches électroniques et produisent des noyaux plus lourds. De cette façon, les noyaux d’hydrogène peuvent être fusionnés en noyaux d’hélium, qui peuvent à leur tour fusionner en noyaux de carbone, si des conditions de température et de pression suffisantes sont atteintes.
Au début, l’univers était si chaud et dense qu’il n’était constitué que de quarks libres – les constituants des protons et des neutrons – des électrons et du rayonnement. Après un millionième de seconde, les quarks ont commencé à fusionner en baryons : protons et neutrons. Pendant les vingt premières minutes après le Big Bang, la température de l’univers a dépassé celle au centre des étoiles les plus brillantes, avec une densité supérieure à celle de l’air. Au cours de cette période, protons et neutrons sont entrés en collision énergétique pour former des noyaux plus gros : le deutérium et deux isotopes de l’hélium. 25 pour cent de toute la matière de l’univers a été convertie en hélium, avec environ 75 pour cent d’hydrogène, ainsi que des traces d’éléments plus lourds tels que le lithium. Ceci est similaire au rapport actuel des éléments chimiques.
Les premières étoiles se sont formées environ 300 millions d’années après le Big Bang, initiant une autre forme de nucléosynthèse appelée nucléosynthèse stellaire. Dans la nucléosynthèse stellaire, la matière fortement compactée au centre d’une étoile subit une fusion nucléaire, libérant de grandes quantités d’énergie et équilibrant les forces de gravité agissant pour effondrer l’étoile. Cela peut être considéré comme une bombe H à explosion continue. Les éléments jusqu’au fer sur le tableau périodique sont formés dans la nucléosynthèse stellaire.
Pour créer un élément plus lourd que le fer, il faut un autre type de nucléosynthèse, la nucléosynthèse de supernova. Les supernovae se produisent lorsque les étoiles s’effondrent de manière catastrophique après avoir consommé tout leur combustible nucléaire dans leur cœur. L’enveloppe atmosphérique de l’étoile s’effondre vers l’intérieur en raison de la gravité, rebondissant sur un noyau composé de matière «dégénérée aux électrons» presque incompressible. Au cours de ce brusque rebond, plusieurs pour cent de la matière de l’étoile sont fusionnés en éléments plus lourds presque instantanément. Cela libère suffisamment d’énergie pour que la supernova éclipse sa galaxie hôte pendant des jours ou des semaines. Des éléments plus lourds que le fer sont synthétisés lors de cet événement cosmique incroyablement énergétique.