После осуществления первой искусственной ядерной реакции ученые стали все чаще и чаще обращаться к другим космическим телам, пытаясь разгадать их тайну и в первую очередь найти ответ на вопрос — откуда звезды, подобные Солнцу, черпают свою энергию, которую они в течение многих миллиардов лет непрерывно и неизменно испускают в мировое пространство? До открытия ядерных реакций, сопровождающихся выделением огромного количества тепла, люди не знали таких источников энергии, которые могли бы объяснить светимость звезд. Ядерные реакции явились первым таким источником. Уже через четыре года после первого искусственного ядерного превращения крупный шведский химик С. Аррениус писал о том, что источником энергии Солнца могут являться ядерные реакции синтеза гелия из водорода.
Позднее, в 1929 г., Э. Аткинсон и Ф. Хоутерманс пришли к заключению, что вследствие высокой температуры в центре звезд протоны могут приобретать значительную кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера самых легких ядер. Эти взгляды теоретически были обоснованы Г. Бете. Он показал, что при образовании ядра гелия из четырех ядер водорода выделяется колоссальная энергия, достаточная для поддержания температуры Солнца и возмещения постоянного излучения энергии в течение десятков миллиардов лет.
С начала двадцатых и до конца сороковых годов вопрос о происхождении элементов стал обсуждаться главным образом физиками, которые предлагали различные гипотезы образования элементов. Все они исходили из предположения, что химические элементы образовались в результате всевозможных ядерных реакций, протекавших в больших масштабах в какой-то один определенный момент, предшествующий образованию ЗЕезд. Имеющиеся к тому времени сведения о светимости звезд не позволяли установить, в каких космических объектах могли протекать ядерные процессы, приводящие к синтезу тяжелых ядер. Поэтому был сделан вывод о том, что более тяжелые элементы, чем гелий, в настоящее время в звездах не образуются.
Существовавшие до 1950 г. теории образования химических элементов можно подразделить на две основные группы — теории образования атомных ядер в условиях термодинамического равновесия и неравновесные теории. Впервые основные положения равновесной теории были Еысказаны Г. И. Покровским в 1931 г. и затем получили дальнейшее развитие в работах В. В. Чердынцева, В. Хойля и других. В этой теории предполагается существование в какой-то дозвездный период вещества с чрезвычайно высокой температурой (порядка 1010 градусов) и плотностью (около 1014 г/см3 для среды из заряженных частиц и в десять раз меньшей для среды из нейтронов). Предполагается, что в исходном веществе в определенный момент его существования ядерные реакции достигают равновесия, при котором процесс синтеза атомных ядер уравновешивается их распадом. Затем такое вещество должно очень быстро перейти в качественно новое состояние — в условия сравнительно низких температур и давления, при которых не могут протекать ядерные реакции. При таком «замораживании» равновесной системы последняя сохраняет относительное содержание атомных ядер, которое было достигнуто в момент равновесия. Распространенности, рассчитанные по этой теории, в общем вполне удовлетворительно совпадают с наблюдаемыми средними распространенностями изотопов в космосе только в области легких элементов. Основной недостаток всех равновесных теорий заключается в том, что до сих пор не представляется возможным на основании наших знаний о ядерных реакциях объяснить причину замораживания равновесных реакций.
По неравновесным теориям синтез атомных ядер протекает при низких температурах и давлении. Одной из наиболее широко известных таких теорий является α-β-γ-теория, предложенная в 1948 г. Согласно этой теории, возникновение химических элементов происходило в момент быстрого расширения первичной материи, называемой «илем». Под ним подразумевается система из нейтронов и гамма-квантов при большом давлении. Когда в результате релятивистского расширения давление в системе упало, то нейтроны стали превращаться в протоны и электроны, ибо газ, состоящий из одних нейтронов, может существовать только лишь при очень высоких плотностях, подобных плотностям нуклонов в атомных ядрах. Образующиеся протоны захватывали нейтроны с образованием дейтронов, которые в сбою очередь также способны присоединять нейтроны. Предполагается, что за 15 мин путем последовательного захвата нейтронов и β-распада образующихся ядер, подобно тому как это происходит в ядерном реакторе за длительное время, были созданы все существующие в настоящее время изотопы природных стабильных элементов. Описанная теория хотя удовлетворительно объясняет некоторые закономерности распространенности изотопов в области тяжелых элементов, но совершенно неприменима к объяснению происхождения изотопов легких элементов. Имеется очень серьезное возражение против такой теории. Оно заключается в том, что в природе не существует стабильных ядер с массой 5 и 8, без которых не может произойти образование более тяжелых изотопов. Кроме того, неясно, в какой момент развития вещества нашей Вселенной она могла пройти стадию расширения за столь короткое время, как это предполагается в теории.