研究宇宙空間各種元素（核素）的形成條件、過程與發生地點。天體化學研究的重要內容。與核子物理、天體物理和天體演化等學科密切相關。是宇宙物質的形成和演化問題的一個組成部分。
研究簡史 1889年F.W.克拉克提出元素起源於原始的“不可分原質”的近代設想。1949年，G.伽莫夫等提出瞭宇宙起源的大爆炸模型，試圖通過早期緻密宇宙大爆炸的多次中子俘獲來建造所有的的元素，但是由於不存在質量數為5和8的穩定核素，在解釋合成氦元素時遇到瞭困難。另一個途徑是設想元素在不同時間、不同場所和不同天體物理條件下不同的核過程產生，這個途徑獲得瞭成功。以這一假說為基礎，相繼建立瞭恒星氫燃燒理論，實現瞭在恒星中逐步合成重元素的設想，在此基礎上1957、1958年G.伯比奇夫婦等人詳細計算瞭各種核合成過程，提出瞭恒星中合成核素的系統模型，奠定瞭元素起源的現代理論基礎。現已經能夠描繪出一幅元素起源的輪廓圖。
宇宙核素合成 宇宙大爆炸產生瞭宇宙中兩個豐度最大的核素——氫（1H）和氦（4He），以及少量的2H、3He與7Li，這些物質凝聚成星系與恒星。恒星中的氫燃燒為其提供瞭大爆發能量，使之產生瞭一系列輕核。相繼氦燃燒產生瞭12C和16O。這些恒星中的燃料經歷爆炸核燃燒，合成原子質量A為20～60的大多數核素。恒星演化的最終階段，產生瞭快的中子俘獲過程（r過程）與慢的中子俘獲過程（s過程），形成一系列重元素。某些低豐度、匱乏中子的核素主要通過俘獲質子的p過程產生。星際介質中的重元素受宇宙線作用產生散裂反應，並形成Li、Be與B等元素。天體化學傢已經在下列認識方面取得一致：各種元素是在宇宙核合成和恒星演化中通過各種核聚變、核反應逐步合成的，超新星爆發時通過俘獲而形成瞭一系列重元素。恒星演化的階段反映瞭元素的形成與演化過程。
氫和氦是宇宙核合成中最豐富的元素，也是元素起源的關鍵所在。觀測表明，重元素的合成過程確實發生在恒星中，而重元素都是由最輕的元素逐漸合成的。
宇宙在密度近乎無窮大、溫度1032K以上時，極強的引力能轉化為粒子能，當kT（k為玻耳茲曼常數，T為溫度）大於某種粒子的靜態能(mic2)時，這種粒子就會大量產生並存在；反之，它就會湮沒。到1010K以下時，部分中子自由衰變為質子，另一部分與質子結合形成原子核；在T為109K時，生成4He質量分數的25％。在宇宙溫度降到109K以下後，宇宙中隻有由湮沒殘存重子所形成的質子、4He核、極少量的D（氘）和3He等核，以及湮沒殘存電子組成的等離子體。到溫度為4×103K時，等離子體復合成中性原子氣體，與輻射場脫離耦合，宇宙遂變得透明。
恒星核素合成過程 伯比奇根據元素的宇宙豐度特征，系統地提出瞭恒星中合成元素的假說。當宇宙中產生瞭大量的氫與氦之後，氣態物質由於引力收縮形成瞭恒星與星系，由於自轉加速，恒星的溫度逐漸升高；在足夠的溫度與密度條件下，原子核有可能由於靜電斥力發生聚變反應；隨著恒星內部的溫度逐漸升高，發生瞭一系列由較輕元素轉變成較重元素的核過程，一直到平均結合能最大的鐵組元素為止。恒星內部的溫度繼續升高，甚至發生爆炸而產生大量中子，使已生成的各種核素俘獲中子進一步產生各種重核。
伯比奇等人的假說將元素在恒星中的形成過程劃分為8個過程。
①氫燃燒。這個過程包括質子–質子反應鏈與碳–氮反應鏈，以及4He、14Ne、2H、3He與7Li的合成。
②氦燃燒。該過程形成12C、16O、20Ne與24Mg等核素。
③α過程。這是α核與20Ne核的合成反應，所以也稱氖燃燒過程；形成具有4n結構的核素，如24Mg、28Si、32S、36Ar、40Ca，可能還有44Ca與48Ti。
④e過程。高溫下核的熱統計平衡可形成Fe、V、Cr、Mn、Co與Ni等鐵組元素。
⑤s過程。這個過程中靶核俘獲中子的時間比形成新核素的衰變時間要長，所以是一種慢的中子俘獲過程，每一個中子俘獲步驟約需100年到10萬年，在此期間有充裕的時間允許存在不穩定核衰變。s過程的起點為Fe–Ni區，最終產物為209Bi，形成23≤A≤46和63≤A≤209的許多核素，並出現A為90、138和208的峰值。
⑥r過程。恒星爆發提供瞭大量中子，在0.01～10秒的時間尺度內，俘獲中子要比形成的靶核衰變的時間短得多，形成一系列70≤A≤209的核素，甚至形成鈾、釷與超鈾元素，產生A為80、130與190的峰值。理論上r過程可以合成中子數在200以上的核，其終點元素可能達到超重元素區。
⑦p過程。俘獲質子的過程形成一些富含質子而豐度低的核素。
⑧x過程。形成D、Li、Be與B等核素。這些核素在恒星條件下很不穩定，因此它們形成於較低溫條件。
核素合成發生的區域 不同的元素是在不同的核合成過程中產生的，因此它們合成的場所也各不相同。宇宙核素合成發生於高溫、致密的早期宇宙中，散裂核反應生成輕元素發生於星際介質中，其他的核素合成過程發生於恒星中。
恒星核素合成過程與恒星演化階段是相對應的。氫燃燒發生於主序恒星中，它是恒星能量的主要來源。紅巨星內部發生氦燃燒，表面是s過程的發生區域。爆炸碳、氧與矽燃燒、e過程、r過程、p過程發生在恒星演化末期。
超新星是爆炸核素合成的主要區域。它具有層狀結構，各層物質是各靜態核燃燒過程的產物。新星是爆炸核素合成13C、15N、17O和19F的區域。
恒星由彌漫的星際介質凝聚而成，在其生命的後期又通過爆炸把核素合成產物拋向星際空間。由此新的恒星又從星際介質中誕生。恒星的壽命與其質量相關，質量越大，演化越快，壽命越短。太陽（年齡約為46億年）和質量比太陽大的恒星，壽命比銀河系年齡（約120億年）短得多。表明銀河系目前的元素分佈特征是若幹代恒星核素合成產物的綜合結果。太陽系的元素分佈特征，反映瞭太陽系形成之前活躍在銀河系中的各種核素合成過程產物的累計平均狀況。