Richard Feynman, renomado físico teórico laureado com o Prêmio Nobel, afirmou certa vez que, se pudesse transmitir apenas uma informação científica às futuras gerações, seria que todas as coisas são feitas de átomos. Entender como os átomos se formam é uma questão fundamental, já que eles compõem tudo o que possui massa. A origem dos átomos envolve uma complexa combinação de conhecimentos da física e, mesmo assim, especialistas só conseguem fazer boas estimativas sobre como alguns deles se formaram. Um átomo é constituído por um núcleo pesado, formado por partículas chamadas prótons e nêutrons, e por elétrons mais leves que orbitam ao redor desse núcleo. Os elétrons possuem carga elétrica negativa, os prótons têm carga positiva e os nêutrons são neutros. Um átomo tem o mesmo número de prótons e elétrons, sendo, por isso, eletricamente neutro.
Os tipos mais simples e abundantes de átomos no universo são o hidrogênio, com um próton, nenhum nêutron e um elétron, e o hélio, com dois prótons, dois nêutrons e dois elétrons. Embora na Terra átomos como carbono e oxigênio sejam muito comuns, eles não predominam no cosmos. Um elemento químico, na linguagem científica, é um grupo de átomos com a mesma quantidade de prótons. A maioria dos átomos de hidrogênio e hélio surgiu aproximadamente 400 mil anos após o Big Bang, evento que marca o início do universo, há cerca de 14 bilhões de anos. Esse período coincidiu com a expansão do universo, que então era cerca de mil vezes menor do que é atualmente, e muito mais quente. Antes disso, os elétrons possuíam energia suficiente para não se prenderem aos núcleos, o que impedia a formação de átomos. Somente quando o universo se resfriou até cerca de 2.760 graus Celsius, os elétrons puderam se organizar ao redor dos núcleos, formando átomos. Esse processo é historicamente chamado de recombinação, embora o termo mais apropriado fosse combinação, já que os elétrons estavam se unindo aos núcleos pela primeira vez.
Os núcleos de hélio e deutério, este último uma forma mais pesada de hidrogênio, se formaram ainda mais cedo, apenas alguns minutos após o Big Bang, em temperaturas superiores a 556 milhões de graus Celsius. Nessa época, prótons e nêutrons colidiam com tanta energia que conseguiam se unir, formando esses núcleos. Estima-se que aproximadamente 90% da matéria comum do universo seja formada por átomos de hidrogênio e 8% por átomos de hélio. No entanto, átomos mais pesados que esses, como os que compõem nosso corpo e o planeta Terra, exigem outro ambiente para se formar. A resposta surpreendente é que eles nascem dentro das estrelas. Para unir prótons e nêutrons em núcleos maiores, é necessária uma quantidade imensa de energia, capaz de vencer a repulsão entre cargas positivas. Prótons e nêutrons também interagem por meio de uma força chamada força forte, que atua apenas quando estão muito próximos. A união dessas partículas é conhecida como fusão.
Acredita-se que elementos como carbono até o ferro são gerados em estrelas muito maiores que o Sol, onde as temperaturas ultrapassam 556 milhões de graus Celsius, semelhantes às condições do universo nos minutos iniciais após o Big Bang. No entanto, elementos mais pesados que ferro e níquel não se formam nem mesmo em estrelas, pois sua formação exige energia extra. Esses elementos surgem em eventos catastróficos, como supernovas, em que o núcleo de uma estrela massiva colapsa após consumir todo o seu combustível. A explosão resultante permite a criação de átomos mais pesados, que são lançados de volta ao espaço.
Astrônomos ainda investigam outras formas espetaculares de formação de elementos, como a colisão de estrelas de nêutrons, que libera quantidades imensas de energia e pode gerar elementos como o ouro, antes de formar buracos negros. Compreender a formação dos átomos exige conhecimentos sobre relatividade geral, física nuclear, de partículas e atômica. No entanto, um desafio ainda maior está no fato de que existe matéria no universo que não parece ser composta de átomos comuns: a matéria escura, cuja composição e origem permanecem envoltas em mistério e continuam sendo objeto de intensa investigação científica.