Kemiallinen alkuaine on eräänlainen atomi, kuten vety tai happi. Vuodesta 2011 lähtien oli havaittu 118 elementtiä, joista 98 esiintyi luonnossa maapallolla. 20 elementtiä luodaan keinotekoisesti ydinreaktoreissa tai hiukkaskiihdyttimissä. Ensimmäinen synteettinen elementti, joka luotiin huomattavina määrinä, oli plutonium, elementti 94. Plutonium on myös raskain maapallolta löydetty atomi. Vain puoliintumisaika on vain 80 miljoonaa vuotta, ja plutoniumia esiintyy erittäin pieninä määrinä uraanimalmeissa.
Nykyiset kemialliset elementit ovat peräisin yhdestä kolmesta lähteestä: supernovan nukleosynteesi, tähtien nukleosynteesi ja alkuräjähdyksen nukleosynteesi. Nukleosynteesi tapahtuu, kun atomin ytimet puristetaan yhteen niin tiiviisti ja niin korkealla lämmöllä, että ne voittavat elektronikuoriensa keskinäisen vastenmielisyyden ja tuottavat raskaampia ytimiä. Tällä tavalla vetyytimet voidaan fuusioida heliumytimiksi, jotka puolestaan voivat sulautua hiiliytimiksi, jos saavutetaan riittävän lämpötilan ja paineen olosuhteet.
Aluksi maailmankaikkeus oli niin kuuma ja tiheä, että se koostui vain vapaista kvarkkeista – protonien ja neutronien ainesosista – elektroneista ja säteilystä. Miljoonasosan kuluttua kvarkit alkoivat sulautua baryoneiksi: protoneiksi ja neutroneiksi. Ensimmäisen kaksikymmentä minuuttia alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeuden lämpötila ylitti kirkkaimpien tähtien keskellä olevan ilman tiheyden. Tänä aikana protonit ja neutronit törmäsivät energisesti muodostaen suurempia ytimiä: deuteriumia ja kahta heliumin isotooppia. 25 prosenttia kaikesta maailmankaikkeuden aineesta muutettiin heliumiksi, jossa oli noin 75 prosenttia vetyä, ja pieniä määriä raskaampia elementtejä, kuten litiumia. Tämä on samanlainen kuin nykyisten kemiallisten alkuaineiden suhde.
Ensimmäiset tähdet muodostuivat noin 300 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen ja aloittivat toisen nukleosynteesin muodon, jota kutsutaan tähtien nukleosynteesiksi. Tähtien nukleosynteesissä suuresti tiivistynyt aine tähtien keskellä kokoaa ydinfuusion, joka vapauttaa suuria määriä energiaa ja tasapainottaa tähden romahtamiseen vaikuttavat painovoimat. Tätä voidaan ajatella jatkuvasti räjähtävänä H-pommina. Jaksollisen järjestelmän rautaa olevat elementit muodostuvat tähtien nukleosynteesissä.
Rautaa raskaamman elementin luominen vaatii toisen tyyppisen nukleosyteesin, supernovan nukleosynteesin. Supernovia esiintyy, kun tähdet romahtavat katastrofaalisesti, kun ne ovat kuluttaneet ydinpolttoaineensa ytimessään. Tähden ilmakehä romahtaa sisäänpäin painovoiman vaikutuksesta ja pomppii pois ytimestä, joka on tehty lähes puristumattomasta “elektronien rappeutuneesta” aineesta. Tämän äkillisen pomppimisen aikana useat prosentit tähtimateriaalista sulautuvat raskaampiin elementteihin lähes välittömästi. Tämä vapauttaa tarpeeksi energiaa supernovalle, jotta se ylittäisi isäntägalaksinsa päiviksi tai viikkoiksi. Rautaa raskaampia elementtejä syntetisoidaan tämän uskomattoman energisen kosmisen tapahtuman aikana.