闡明宇宙中各種元素及其同位素豐度形成涉及的所有天體物理過程的科學。元素的豐度曲線是相當複雜而又有一定規律的。元素及其同位素的分佈規律，一方面反映原子核結構的規律性，另一方面與元素的起源和演化史密切相關。關於元素的起源或合成的任何一種假說，都必須解釋這一分佈的規律性。
合成假說 早期提出的假說有平衡過程假說、中子俘獲假說、聚中子裂變假說等。它們都試圖用單一過程解釋全部元素的成因因，結果是顧此失彼、難以自圓其說。G.伽莫夫和他的同事R.阿爾弗於1948年提出的大爆炸之後宇宙中的核子逐步綜合成較復雜原子核的理論，他發現阿爾弗和他本人的名字讀音很像希臘語的第一個字母α和第三個字母γ。這樣在發表這篇論文時，竟擅自添上瞭並未參與其事的著名物理學傢H.A.貝特的名字，從而構成瞭希臘語頭三個字母αβγ的諧音序列。後來把該假說稱作α·β·γ理論。貝特則早已因為在原子核物理理論方面的成就以及參與研制原子彈而聞名於世。他曾於1938年提出，太陽的能量來自其內部氫聚變為氦的熱核反應。為此，他榮獲瞭1967年度的諾貝爾物理學獎。應該指出，許多天體上氦的豐富度相當大，按質量計算約為30％。恒星內部的核反應不可能產生這麼多的氦。在這一點上，普遍采納瞭大爆炸宇宙學的一項基本結論：宇宙曾經有一段從極高溫到低溫的演化史。宇宙早期的溫度很高，因此生成氫和氦的效率也很高。今天遍及宇宙各處的氫和氦，早在宇宙的襁褓時代就已經形成。
B2FH理論 1957年，G.伯比奇夫婦、W.A.福勒、F.霍伊爾等人提出瞭元素在恒星中合成的假說，他們四人姓氏的第一個字母分別為B、B、F和H，因此稱為B2FH理論。他們摒棄瞭全部元素都是通過單一過程一次形成的想法，提出瞭與恒星不同演化階段相應的八個形成過程，認為所有的元素及其同位素都是由氫通過發生在恒星上的八個過程逐步合成的。元素合成後由恒星拋射到宇宙空間，形成所觀測到的元素的豐度分佈。八個過程是：①氫燃燒。發生於溫度T≥7×106K的條件下，由四個氫核聚變為氦核的過程。②氦燃燒。發生於T≥108K的條件下，由氦核聚變為碳核(12C和氧核(16O))等的過程。③α過程。α粒子與20Ne相繼反應生成24Mg、28Si、32S、36Ar等的過程。④e過程，即所謂的平衡過程。發生在溫度和密度都很高的條件下，元素豐度曲線上的鐵峰元素（V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等）通過這個過程生成。⑤s過程，即慢中子俘獲過程。⑥r過程，即快中子俘獲過程。比鐵峰元素更重的元素可能通過r或s過程生成。⑦p過程，即質子俘獲過程。一些低豐度的富質子同位素可能通過這個過程生成。⑧x過程。生成D、Li、Be、B等低豐度輕元素的過程。B2FH理論發表後，不斷得到原子核物理學、天體物理學和宇宙化學方面的新成就的補充和修正。元素合成實質是元素核燃燒，它分為兩類：一是以恒星損失核能量為時標的流體靜力學燃燒；二是激變事件的動力學爆發燃燒。核合成的計算又分為按恒星演化處理、恒星演化加爆發能、爆發機制的細節3種類型。主要進展有：①提出瞭一些新的過程，如碳燃燒、氧燃燒和矽燃燒等。碳燃燒、氧燃燒和矽燃燒分別發生在T≥6×108K、T≥109K和T＞3×109K或4×109K的條件下。研究發現，爆發性碳燃燒可說明Ne到Si的觀測豐度，爆發性氧燃燒可說明Si到Ca的觀測豐度，準平衡的矽燃燒可說明鐵峰元素的觀測豐度。②在許多天體上，氦豐度相當大，按質量計約為30％，用恒星內部的核反應理論不能說明這個事實。大爆炸宇宙學認為宇宙曾經有過一段從熱到冷的演化史。宇宙早期溫度很高，生成氦的效率也高，從而造成氦的高豐度。③6Li、Be、B等輕元素的觀測豐度，可用宇宙線粒子與星際空間的12C、14N、16O、20Ne等原子核碰撞而使後者碎裂來說明。