Un elemento chimico è un tipo di atomo, come l’idrogeno o l’ossigeno. A partire dal 2011, erano stati osservati 118 elementi, di cui 98 presenti naturalmente sulla Terra. 20 elementi vengono creati artificialmente in reattori nucleari o esperimenti con acceleratori di particelle. Il primo elemento sintetico ad essere creato in quantità sostanziali è stato il plutonio, elemento 94. Il plutonio è anche l’atomo più pesante che si trova naturalmente sulla Terra. Con un’emivita di soli 80 milioni di anni, il plutonio si trova in quantità estremamente piccole nei minerali di uranio.
Gli elementi chimici attuali provengono da una delle tre fonti: nucleosintesi di supernova, nucleosintesi stellare e nucleosintesi del Big Bang. La nucleosintesi si verifica quando i nuclei atomici vengono premuti insieme così strettamente e a un calore così elevato da superare la repulsione reciproca dei loro gusci elettronici e produrre nuclei più pesanti. In questo modo, i nuclei di idrogeno possono essere fusi in nuclei di elio, che possono a loro volta fondersi in nuclei di carbonio, se vengono raggiunte condizioni di temperatura e pressione sufficienti.
All’inizio, l’universo era così caldo e denso che non consisteva altro che quark liberi – i costituenti di protoni e neutroni – elettroni e radiazioni. Dopo un milionesimo di secondo, i quark iniziarono a fondersi in barioni: protoni e neutroni. Per i primi venti minuti dopo il Big Bang, la temperatura dell’universo ha superato quella al centro delle stelle più luminose, con una densità maggiore dell’aria. Durante questo periodo, protoni e neutroni si scontrarono energicamente per formare nuclei più grandi: deuterio e due isotopi di elio. Il 25 percento di tutta la materia nell’universo è stato convertito in elio, con circa il 75 percento di idrogeno, insieme a tracce di elementi più pesanti come il litio. Questo è simile al rapporto attuale degli elementi chimici.
Le prime stelle si sono formate circa 300 milioni di anni dopo il Big Bang, dando inizio a un’altra forma di nucleosintesi chiamata nucleosintesi stellare. Nella nucleosintesi stellare, la materia molto compatta al centro di una stella subisce una fusione nucleare, rilasciando grandi quantità di energia e bilanciando le forze di gravità che agiscono per far collassare la stella. Questo può essere pensato come una bomba H che esplode continuamente. Gli elementi fino al ferro sulla tavola periodica si formano nella nucleosintesi stellare.
Per creare un elemento più pesante del ferro è necessario un altro tipo di nucleosintesi, la nucleosintesi di supernova. Le supernovae si verificano quando le stelle collassano catastroficamente dopo aver consumato tutto il loro combustibile nucleare nei loro nuclei. L’involucro atmosferico della stella collassa verso l’interno a causa della gravità, rimbalzando su un nucleo fatto di materia “degenerata elettronicamente” quasi incomprimibile. Durante questo brusco rimbalzo, parecchi percento del materiale della stella viene fuso in elementi più pesanti quasi istantaneamente. Questo rilascia abbastanza energia per la supernova da eclissare la sua galassia ospite per giorni o settimane. Gli elementi più pesanti del ferro vengono sintetizzati durante questo evento cosmico incredibilmente energetico.