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正如氢原子核（质子）可以聚合形成氦4原子核一样，氦原子核也可以聚合形成其他元素的原子核，只不过后续过程中释放出的能量会逐级减少。但是，这些恒星核合成过程所需的温度比质子-质子链更高，只要氢燃烧在进行，它们就不可能发生。虽然这事儿看上去似乎很矛盾，可实际上，氢燃烧确实使像太阳这样的恒星的核心变得相对凉爽。当所有的氢燃料耗尽时，首先会发生的事是恒星核心的压力下降，从而使恒星缩小。这会释放出引力能，使恒星核心温度升高，直到达到某一高度，使新的核聚变反应可以发生。这些反应释放的能量会使恒星重新在更高的内部温度和压力下稳定下来，只要新的燃料来源不断。
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由于氦4原子核是一种特别稳定的核结构，在许多的这些相互作用中，它的行为就像一个整体。它有时被称为α“粒子”。在恒星核合成的下一阶段中，较重的元素基本上是通过α粒子聚合在一起形成的。其后，有些原子核就可以吸收更多的质子，还有一些可能会释放出粒子，形成其他元素或同位素，而且大体上说来，比起其他重元素，含有4个核子的原子核（如碳12和氧16等）都特别稳定和常见。53
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大家可能会猜测，在下一步的聚合过程中，一对氦4原子核将形成铍8原子核。但是铍8却一反常规。这种元素非常不稳定，而且如果两个氦4原子核恰好发生碰撞，并以正确的方式结合，它们也只能存在很短的时间。这成了天体物理学家的一个大谜团，因为宇宙中有非常多的重于铍的元素，但是除了在恒星内部，没有任何其他地方能够形成这些元素。如何才能让恒星的核合成跳过铍，产生更重、更稳定的原子核？直到20世纪50年代，该难题才得以解决。当时弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）灵光一现，想明白了碳12可以在恒星内部通过一个称作3α过程，由3个氦4原子核构成。虽然这本书集中探讨的是21世纪的理念，而不是20世纪50年代古老的历史，但是霍伊尔的洞见极其深刻，而且与现代宇宙学思想息息相关，所以我们有必要稍稍离题一会儿，说说它的重要性。事实上，霍伊尔是第一个应用了以人类为中心的推理（并且是迄今最成功的）对物理世界作出预测的。
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铍8原子核的寿命只有10-19秒，但即使在如此短暂的时间里，当恒星内部的氢燃烧已经结束，在那种状况下，产生的某些铍原子仍有时间和α粒子核相撞。问题是，由于铍8极不稳定，这样的碰撞应该是将原子核打破，而不是将3个α粒子合在一起。
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霍伊尔推理说，既然存在碳（最重要的是，从人类的角度来看，碳是像我们一样的生物存在的基础），那么就一定存在某种物理定律，不论铍8多么不稳定，也允许3个α粒子结合在一起。他当时是这样说的：“既然我们周围的自然世界到处都是碳，而且我们自己的生命也是以碳为基础的，恒星必然已经找到了一个非常有效的制造碳的途径，我也要努力找到它。”54如果3α过程确实发生作用，就会形成碳12的原子核——但是这里形成的碳12核有什么特性能阻止其立即解体吗？
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霍伊尔知道，根据量子物理学，原子核通常以其最低能量状态存在（称为“基态”），但在适当条件下，它们能吸收量子能（如伽马射线光子），并进入所谓的“激发态”。经过很短的时间后，它们会释放出一个伽马射线光子，并返回到基态。这与一个原子吸收一个可见光光子，使得一个电子跃升到一个新的能量水平，然后电子再重新释放光子，返回到低能量状态的过程很相似。有一个比方可以很好地说明问题。我们可以想象小提琴或吉他的琴弦，平常它可以以正常的频率振动发出自然的（基本的）音，但是如果以正确的方法按压，同样一根弦也可以产生和谐的振动发出更高的音。
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霍伊尔得出结论认为，在我们所讨论的恒星内部，3个α粒子只有在一种状况下才能结合到一起形成单个的碳12原子核，这一条件就是假如碳12核有和铍8的基态对应的自然“共振”，外加温度适当的α粒子进入时所携带的能量。这样，进入的α粒子的动能都将用来“激发”碳12的核，一个不剩，无法留下一个把它拆开。处于激发态的碳12核可以放射出一个伽马射线光子，并返回到基态。但是，只有当激发碳12——即产生共振所需的能量——比进入的α粒子的能量略低时才会发生上述情形。如果这一能量稍稍多一些，那么进入的α粒子就不会有足够的能量完成所需的进程。而如果能量少很多，那么就有足够多的剩余动能击破原子核。
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到20世纪40年代末期，一些科学家就通过实验提出了共振的恰当能量，但那时候没有人将这一过程和恒星内部的反应联系起来。几年后，当霍伊尔在美国加州理工学院（Caltech）跟那里的粒子物理学家提出这个问题时，他被告知，最新的实验显示以前的工作是错误的。霍伊尔不相信他们的话，并且非要实验者重复测量一遍不可。55霍伊尔的意思实际上是说，我们存在这一事实意味着自然定律必然允许某一特定的元素，即碳12，具有一个特定能量的激发态。在20世纪50年代，这一连串的推理对大多数科学家来说都显得似乎非常荒谬。但是，像所有的好的科学思想一样，它承受得住检验。
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检验它的方式是测量碳12的属性。加利福尼亚的凯洛格辐射实验室（KelloggRadiation Laboratory）就具有相应的技术进行测量。霍伊尔精确地预测，碳12的共振激发态的能量比其基态高7.65兆电子伏（MeV），他克服了一些困难，才说服那里的研究人员进行试验，以寻找这种处于激发态的碳12，领导实验小组进行测试的是威利·福勒（WillyFowler），他后来说56，他之所以做这个实验，只是为了让霍伊尔闭嘴走人，他根本没有料到会找到这种共振态。当事实证明霍伊尔的预测只比实际结果有百分之五的误差时，整个实验小组都无比惊讶。碳12确实有一个共振态，其能量恰好处在合适的位置，使3α过程能够发生。
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事情为什么会这样呢？这和宇宙为什么恰好以适当的速率膨胀，允许形成恒星、行星和人类一样，是一个谜。同样以人类为中心的解答，认为存在许多的宇宙，它们各自有各自的物理定律，而我们只存在于其中一个适合人类的那个宇宙中，这是该问题一种可能的回答。但是，从实际的角度看，这一现象可以让恒星核合成跨越铍8的鸿沟，并且从这一刻开始，恒星内重元素的形成就一帆风顺了。这是天体物理学和粒子物理学相结合，为我们提供关于宇宙性质深刻理解的最佳实例。
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一旦恒星内部存在碳原子核，制造一定范围内的重元素就相对容易了。氦燃烧在恒星的内核里继续，外面包裹着一层温度稍微低一些的未燃烧的氦（恒星的最外层则是一层氢），直到所有的燃料耗尽。然后，恒星的核会再次收缩，使其变得更热，使碳12原子核与α粒子结合，形成氧16。只要有足够的碳燃料，这一过程就能使恒星稳定，直到再次出现收缩过程，恒星加热，触发新一轮的聚变。当然，每个后续的步骤都需要更高的温度，因为原子核的质子越多，原子核所带的正电荷也越多，进入的α粒子（本身带正电）的速度也要更快，才能穿越屏障到达原子核。像氖20、镁24和硅28等都是以这种方式产生的。而一颗年老的恒星可能有一系列的外壳，就像洋葱皮一样，层层包裹着它的核心，重元素位于中心，轻元素则靠近表面。通过粒子加速器实验证实，在这些条件下，具有其他核子数的元素，比如氟19和钠23，其产生的方式是这样的：较常见的质量能被4整除的原子核与其周围的粒子相互作用，吸收奇数的质子并发出奇数的正电子，可以形成少量的这类元素。所有这些研究中最了不起的成就，是在地球上对这些核相互作用的理解，再加上天体物理学家对恒星的理解，两者共同预言的各种元素的比例，同实际上观察到的太阳以及其他恒星光谱所揭示的元素比例是一样的。这一点，已经被天体物理学家所做的关于核相互作用的一个特别重要的认识突出展现出来。
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鉴于周围已经有碳和氧的痕迹，那么除了质子质子链之外，还有第二种方式，允许质量略重于太阳，内核温度也略高于太阳的恒星通过燃烧氢而产生氦。由于这一过程涉及氮、氧以及碳，它通常被称为CNO循环（碳氮氧循环）；这一循环的特别之处在于，尽管所有这些原子核都参与到循环中，一旦达到了平衡，它们并未“耗尽”，而且每个循环的净效应都是将4个氢原子核（质子）转换成一个氦4核（一个α粒子）。
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该循环是这样进行的：一个碳12核捕捉到一个质子，成为氮13的原子核。氮13核释放出一个正电子，变成碳13，后者又捕获一个质子，成为含氮14。氮14吸收一个质子成为氧15，氧15弹出一个正电子成为氮15，最终氮15吸收一个质子并立即抛出一个α粒子，剩下碳12，准备进行下一轮循环。57这一过程的每一步都已经在地球上的粒子实验室中被反复研究，所以我们知道它们的反应速度有多快，以及在什么条件下会产生反应。这导致了对人类，甚至是地球上所有生命都具有深远意义的发现的产生。
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这一循环中最慢的反应是从氮14转换为氧15的过程。其结果是，在体积大到足以触发这种氢燃烧的恒星的早期，更多的碳被转化为氮，远远超过了氮被转化成氧的量。58随着越来越多的氮积累起来，虽然每个原子核在产生相互作用前都要消耗很长的时间，但参与相互作用的原子核很多，因此最终还是会建立起平衡。这有点像用水龙头或是花园的洒水喷头来接水。不论用那种方法都能接到同样多的水，只不过如果喷头上只有一个很小的孔，那接起水来效率可不会太高。这意味着，尽管在一个单一的循环中，其净效应是把4个氢原子核合成为一个氦核，但随着该循环释放出能量，在恒星整个生命周期内，会出现副作用，将碳转换成氮。
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这一点为什么会如此重要呢？这是因为氮是生命的基本要素之一（这里我们所说的是我们所了解的地球上这样的生命），而CNO循环则是宇宙中制造氮的惟一机制。我们已经看到，还有其他的办法能够产生碳和氧，但是却没有任何其他办法能够产生氮。我们可以绝对确定地说，地球大气中以及诸位身体里的每一份氮，都是在像太阳一样，但更可能是比太阳更大一点的恒星中通过CNO循环生成的。没有CNO循环，我们人类就不会产生。生命的产生确实是从恒星的形成过程就开始了。
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的确，如果这些在恒星内部生成的元素没有逃逸到宇宙中，并成为后来的恒星、行星以及人类的原材料，我们就不会出现。我们马上就要说到故事的这一部分。但首先，我们刚才暂时把核合成的故事停在了硅28，现在是时候重新拾起这个话题，讨论更重的元素是如何形成的了。
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我们把故事讲到硅28暂时离开，是有着充分的理由的——简单地一步一步地添加α粒子以制造较重的原子核，每次都将其质量增加四个单位，只能到此为止了。到这里，事情开始变得复杂起来，因为此时恒星的核心已经非常的热（约30亿K），并非常的致密（每立方厘米都有好几百万克的物质），导致致密的原子核有时会变得四分五裂。例如，一个单一的硅28的原子核，可能会发生“光衰变”（Photodisintegrate），释放出7个氦4原子核。但是，这些α粒子的洪流稍后会与其他的硅28原子核结合，也许一个硅28原子核会吸收一个以上的α粒子，在一个单一的步骤中产生硫32，氯36，氩40以及更重的原子核。有时候，释放出的所有7个α粒子可能被附近一个单一的硅28捕获，通过一个步骤就把它变成镍56。
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但是，这已经极其接近链条的末端。镍56是不稳定的，很快会释放出正电子，转换成钴56。钴56原子核又会放出另一个正电子，以铁56的形式稳定下来。事实上，铁56是最稳定的原子核，它的原子核（包含26个质子和30个中子）比其他任何原子核结合得都更紧密。这意味着这里是道路的尽头，轻原子核聚合在一起形成较重元素并释放能量的过程到此为止。产生比铁更重的元素的惟一办法，是加入能量——必须通过外力，利用大量的能量，将原子核结合在一起。惟一能够完成这一任务的能量来源是引力，而且除非恒星的规模比我们的太阳更大，连引力也不会强大到足以完成这一任务。
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很多恒星甚至从来都达不到产生大量的硅、硫、氯和一直到铁之间的各种其他元素的规模。太阳是一个非常普通的恒星，仍在燃烧氢使其变成氦，这将最终使其核心获得足够的温度，将氦燃烧成碳，或许还会伴随CNO循环生成一点氮和氧。但是，当氦燃烧结束后，像太阳这样的恒星不能坍缩得足够小，使其内部上升到足够的温度，将碳燃烧成氧。恒星自身将收缩并冷却下来，最终变成一个坚实的碳球（或者，假如读者诸君喜欢浪漫色彩的话，我们可以说它会变成一个钻石单晶体），外面有一层氦和微量的氢构成的壳。它会变成一颗白矮星，体积并不比地球大，但仍保留了它原来质量的很大一部分。宇宙中只有百分之十的恒星比太阳更大，但它们对于解释元素的起源却是至关重要的。恒星的质量需要达到太阳质量的4倍以上，碳燃烧才会发生，而且，为了制造出所有的重元素，恒星的质量至少应是太阳质量的8倍或10倍。最重要的是，所有这些恒星，甚至像太阳这样小的恒星，并不是从头到尾一直控制自身所有的材料。
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在恒星生命中的不同时间，当恒星内核收缩温度升高——例如，在像我们的太阳的恒星开始氦燃烧时——来自内核的额外的热量会使恒星外层膨胀。恒星的整个生命周期中，这种膨胀至少会将恒星质量的四分之一（如果起初该恒星与我们的太阳的质量相同）吹到宇宙空间，形成一个不断膨胀的物质云团。这种云气是宇宙中最美丽的天体。它们被称为行星状星云，因为以前的望远镜收集光的能力较弱，它们看上去有点像行星。但是现代的观测设备揭示出它们具有各种丰富多彩的形状，会使人联想起鲜花、蝴蝶、光环，等等。如果恒星能够进入核合成的这一阶段，产生铁56（实际上比我们在这里所作的简单勾勒更为复杂）的一系列的复杂的相互作用只是把恒星的外层吹散到了宇宙空间。虽然太阳在其一生中只失去不超过三分之一的质量，但是质量大约是太阳6倍的恒星有可能喷射出相当于5个太阳质量的经过加工的材料，其中含有重金属元素，使这些物质进入宇宙空间，其后该恒星会变成一颗白矮星，质量和现在的太阳大致相同。
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但是，如果恒星的初始质量再多一点——大约是太阳的6至8倍——计算表明，它在寿命终结时会完全爆炸。这是因为在恒星活跃阶段结束后，遗留下来的残余物质太多，无法成为稳定的白矮星。这里的临界质量大约是太阳质量的1.4倍，称为钱德拉塞卡极限（the Chandrasekharlimit），因为第一个计算出这一临界值的是天文学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）。59由于核聚变，当恒星内核不再有向外的压力支撑，而且其质量超过了钱德拉塞卡极限，它必然会在自身的重力之下坍缩，无法形成稳定的白矮星。随着恒星坍缩，其核心温度会继续升高60——其温度会高到令碳以各种相互作用“燃烧”，制造出重元素，并在这一过程中释放出能量。但该恒星的引力太小，无法控制燃烧爆炸所产生的碎片。当密度、温度和压力都足够高时，除了简单地把氦4原子核加到碳12原子核上形成氧16，碳原子核之间可以直接以各种方式发生相互作用。最简单的是当两个碳12原子核聚合释放出一个α粒子（该α粒子会继续与其他的原子核发生反应），产生一个氖20原子核。这种反应实际上释放出的能量，比3个α粒子聚合释放的能量更多。这一爆炸性的碳燃烧会刺激原子核融合，直至产生铁56，并随着恒星爆炸将所有这些物质抛洒到宇宙空间。在这种最简单的超新星爆发中，至少有相当于太阳质量一半的铁，和8个太阳质量的氧会与其他的元素一起被抛洒到整个星系之中。但这仍然没有产生任何比铁更重的元素。要想产生比铁更重的元素，我们需要更大的恒星。
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质量是太阳8或10倍的恒星在自己的生命结束时，会呈现更壮观的景象。这种爆发是所有比铁更重的元素的来源，这包括金、铀、铅、汞、钛、锶和锆等。这里我们没有必要讨论所有细节，61对于这样的恒星，关键的问题是，即使是在其生命的早期阶段，其表面失去了大量的物质，在这样的恒星的发生坍塌和爆炸的内核以外，仍然会剩下大量的外层材料。而且其内核也会足够大，因此它仍然有足够强大的引力，在它发生坍塌时将自身吸引在一起，并释放出引力能。当这样的恒星内核燃烧结束，再也不能支持恒星的重量时，其内核的质量会大于钱德拉塞卡极限，因此会崩溃，并引发爆炸，释放出能量，但自身不会被完全破坏。这种恒星的外层的质量相当于许多个太阳，此时就好像脚下的外层地板被抽掉了，留下的几乎是个无底洞。恒星的外层——这些相当于许多个太阳的物质——将开始向下坍缩，但却会碰上从核心向外爆炸产生的冲击波。爆炸产生的冲击波会挤压并加热外部的物质，此时的状况非常极端，中子（是由于有些互动打破了原子核而产生的）也被迫与重原子核聚合，造出比铁还重的元素。事实上，这些重元素中，有一些已经在坍缩内核的极端条件下合成了，这种条件是由于坍缩释放出的引力能将核子挤压在一起而形成的。而恒星爆发的冲击波最终结束了这一工作。
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冲击也因恒星内核中发生的一系列事件释放出的大量中微子而得到加强——冲击波中的各种东西非常密集，甚至连中微子都会受到阻碍停止，并协助将恒星的最外层推开。但是，非常重的元素只能制造出很少量的一部分，因为重元素产生的条件从来都无法持续很长时间。比铁重的所有元素的总质量只占所有从锂到铁总质量的1%——而所有“金属”的总质量则只占氢和氦总质量的不到2%。超新星最终的效应，是垂死恒星核心发生爆炸，将相当于10个或更多个太阳的质量的物质，抛到宇宙空间。这一次，膨胀的物质云气中只含有很少的铁，因为铁基本上都留在内核里了。但是在喷射出的物质中，可能有相当于一个或两个太阳质量的氧，此外还有少许的重元素以及其他各种物质。
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对于我们已知的这一概述——或者说我们以为自己知道的——关于各种化学元素是如何产生的这些描述，可能给人这么一种印象，即一切都已经完成。这样认为有一定的道理，至少大体的轮廓是清楚的。但是，这一进程的确是在不断进行，而且我不想让大家以为，元素的起源已经结束，没什么可以发现的了。为了确切地了解整个过程，大家需要充分了解所有参与的原子核的相互作用——只有通过在实验室里研究原子核才能获得相关的知识。这是一个艰巨的任务，一是因为参与的相互作用很多，其次是因为涉及的许多原子核的寿命都很短。地球上有116个已知的元素，其自然产生的各种形式总共约有300种（300种同位素）。但是从理论上讲，原则上可以存在大约6000种同位素，其中一些的寿命很短。它们中的任何一种都可能参与恒星内部的相互作用，但其中有一半以上尚未在加速器实验中发现。世界各地的实验室都在不断进行这种寻找“新”同位素的实验，测量它们的属性，并确定它们与其他原子核相互作用的方式。密歇根州立大学就有一个专门的项目，计划花费10亿美元建造一个稀有同位素加速器（RarelsotoPeAccelerator），将在2010年代建成。在现实中，我们对元素起源的了解仍然是非常基本的。在未来十年或二十年中，我们可以期望会取得实质性进展，了解恒星和超新星中到底发生了什么事情，构成我们自身的化学元素是如何产生的，以及为什么它们在宇宙中的比例是我们观察的这样。但重元素并不是超新星爆炸惟一的副产品。
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在第二类超新星（称为Ⅱ型；简单的那种超新星是Ⅰ型）中，它的内核会在超新爆炸后遗留下来。剩下的部分所包含的东西肯定超过了钱德拉塞卡极限（theChandrasekharlimit），而如果其质量少于3个太阳的质量，它就有一个最后的可能的安息之地。它将成为一个稳定的中子球（从根本上说，就是一个巨大的“原子”的核），质量比太阳更大，紧缩在一个直径约10千米的球中。我们已经通过无线电噪音确定了许多这样的恒星。它们被称为脉冲星，而且也如大家期待的那样，在超新星爆炸留下的不断扩大的碎片云气中心，往往能找到这种脉冲星。我对脉冲星有一种特别的偏爱，因为我作博士生的时候所做的第一个重要的研究，就是要证明脉冲星不能是白矮星，因此，通过排除法，证明它必然是中子星。但是，如果恒星核心的质量超过3个太阳，那么它就无法抵抗自身的引力，使其完全坍缩到一点（一个像宇宙诞生时那样的“奇点”），完全和外部世界隔绝，因为其引力场过于强大，甚至连光都无法逃逸出去。
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