核合成是通过核反应产生新原子核的过程。它解释了宇宙中的化学元素及其同位素如何形成，涵盖从原初的氢、氦到碳、铁和铀等元素。核合成主要发生在早期宇宙、恒星内部、恒星爆炸以及涉及致密恒星遗骸的碰撞中。不同环境会产生不同的核素组合，因此，观测到的某种元素的丰度通常反映了多种生成与破坏过程的共同作用。(energy.gov)
核物理基础
原子核包含质子和中子。质子数决定元素的种类，而质子数相同、中子数不同的原子核互为同位素。核合成通过聚变、粒子俘获、碎裂和放射性转变来重新组合这些组分。普通化学反应只是重新组织电子和化学键，而这些过程会改变原子核的组成。(energy.gov)
在核聚变中，较轻的原子核结合成较重的原子核。如果生成物的结合更紧密，聚变就能释放能量，其中的质量差依照质能等价关系转化为能量。每个核子的平均核结合能在铁、镍附近达到最高值；因此，逐步合成更重的原子核并不能为恒星提供无穷无尽的能源。重元素的生成因而需要依赖常规产能聚变之外的反应途径。(energy.gov)
原初核合成
大爆炸核合成发生在宇宙开始膨胀后的最初几分钟内。在原子核开始大量形成之前，弱相互作用控制着中子与质子的数量比。随着宇宙膨胀并冷却，这些反应变得过于缓慢，无法维持平衡，随后一部分自由中子发生了衰变。(pdg.lbl.gov)
高能光子不断破坏新形成的氘，推迟了原子核的形成。氘是含有一个质子和一个中子的氢同位素。一旦氘能够稳定存在，核反应便迅速生成氦-4，同时产生较少量的氘、氦-3，以及最终形成锂-7的质量数为七的核素。按质量计，原初普通物质约有四分之一转化为氦-4，其余大部分是氢。宇宙膨胀、密度下降，以及不存在质量数为五和八的稳定核素，共同阻止了更重元素的大量生成。(pdg.lbl.gov)
原初氘和氦的丰度为宇宙学提供了独立于宇宙微波背景测量的检验手段。一个尚未解决的重要差异是“锂问题”：标准计算预测的锂-7含量，高于从古老贫金属恒星中推断出的含量。研究者已考察恒星中的锂耗损、观测不确定性、核物理因素以及可能偏离标准宇宙学的情形，试图解释这一差异。(pdg.lbl.gov)
恒星核合成
在恒星内部，持续的核反应产生能量，并改变恒星的化学组成。在主序星阶段，氢转化为氦。太阳中占主导地位的反应途径是质子—质子链；温度更高的恒星则更多地依赖碳氮氧循环，其中这些较重的原子核充当氢燃烧的催化剂。(journals.aps.org)
核心中的氢耗尽后，收缩可以使温度升高到足以启动氦燃烧的程度。三氦过程通过不稳定的铍-8中间产物，将三个氦-4原子核结合成碳-12。随后，碳可以再俘获一个氦原子核，形成氧-16。这些反应生成了后来构成行星和生物体的相当一部分碳与氧。(journals.aps.org)
恒星的质量对后续反应序列有很大影响。太阳这样的恒星不会经历全部晚期燃烧阶段。大质量恒星则可以经历碳燃烧、氖燃烧、氧燃烧和硅燃烧，生成直至铁族的核素。硅燃烧是由光致蜕变、粒子俘获等过程构成的核反应网络，而不只是两个硅原子核的聚变。恒星风和后来的爆炸会将经过核反应加工的物质散布到太空中。(imagine.gsfc.nasa.gov)
爆炸与中子俘获
超新星爆炸既会抛出此前已合成的物质，也会通过爆发性燃烧生成新的核素。核心坍缩型爆炸会迅速加热恒星的各层物质，而涉及白矮星的热核爆炸则可将碳和氧转化为中等质量元素与铁族元素。新生成的镍-56经钴-56衰变为铁-56，为超新星辐射提供放射性衰变能。(science.nasa.gov)
许多比铁重的核素通过中子俘获形成。在s过程，即慢中子俘获过程中，相邻两次俘获之间通常有足够的时间，让不稳定原子核发生贝塔衰变。这一过程的主分量发生在演化晚期的渐近巨星支恒星中，弱分量则发生在大质量恒星中。最终的核素丰度取决于中子源、恒星内部的混合，以及最初可供俘获中子的种子核数量。(archive.jinaweb.org)
在r过程中，中子俘获足够迅速，使原子核在衰变令其回到稳定区域之前，就已变得高度富中子。涉及中子星的并合是已获证实的生成环境。并合抛出的物质可以产生千新星，其辐射由放射性衰变供能。对2017年并合事件GW170817的观测，包括对锶的识别，为重元素的生成提供了直接证据。并合与其他候选生成环境各自的相对贡献仍在研究之中。(nas.nasa.gov)
碎裂与观测证据
并非所有核合成过程都是构建更重的原子核。宇宙射线散裂会在高能碰撞中将较重的原子核打碎，对锂、铍和硼的生成有重要贡献。这些相对脆弱的核素在恒星内部很容易被破坏，因此它们的起源与许多相邻元素不同。(arxiv.org)
研究者通过光谱学、同位素测量以及核反应速率的实验室研究来检验核合成模型。玛格丽特·伯比奇、杰弗里·伯比奇、威廉·福勒和弗雷德·霍伊尔于1957年发表了影响深远的论文《恒星中元素的合成》，将恒星核反应途径整理为一个框架，把核物理与天文观测中的元素丰度联系起来。现代计算将这些反应途径与恒星演化、爆炸以及富含新合成元素的物质在星系中迁移的模型相结合。(journals.aps.org)