In het hele heelal zijn zwaardere elementen dan waterstof en helium uiterst zeldzaam. Het heelal bestaat uit ongeveer drie vierde waterstof en een vierde helium; alle andere elementen bij elkaar maken nog geen 1% van het heelal uit.
Dat komt doordat het heelal bij de oerknal tot stand kwam met de huidige voorraad waterstof en helium. Alle andere elementen zijn dus daarna met veel moeite in de sterren gevormd. Hoe lastig dat proces geweest moet zijn blijkt wel uit het feit dat er, in de ruim 13 miljard jaar dat het heelal nu bestaat, nog geen procent van de oorspronkelijke hoeveelheid waterstof is omgezet in zwaardere elementen.
Deze elementen worden in de sterren opgebouwd via een reeks fusieprocessen. Daaruit kan echter alleen ijzer ontstaan, dat atoomnummer 26 heeft. Dat komt doordat fusieprocessen met ijzer veel meer energie verbruiken dan dat ze vrijgeven. De vorming van zwaardere elementen dan ijzer, zoals uranium met atoomnummer 92, is zo’n moeilijk proces dat het vrijwel onmogelijk is. Elementen die zwaarder zijn dan ijzer maken op kosmische schaal dan ook slechts een miljoenste deel van alle elementen uit. En daarom zijn elementen als goud, platina en uranium zo zeldzaam en kostbaar.
Ontstaan in supernovaexplosies
Alle elementen zwaarder dan ijzer ontstaan in supernovaexplosies bij het invangen van neutronen. Bij een supernovauitbarsting worden er enorme hoeveelheden neutronen geproduceerd. Omdat neutronen elektrisch neutraal zijn, kunnen ze moeiteloos in de bestaande atoomkernen van ijzer of lichtere elementen dringen. Hierbij worden isotopen gevormd met een flink neutronenoverschot, wat resulteert in onstabiele radioactieve kernen.
Zo kan een ijzeratoom razendsnel wel vijf neutronen invangen, waardoor het zo onstabiel wordt dat het direct vervalt tot kobalt met atoomnummer 27. Op die manier kunnen er elementen worden gevormd die zwaarder zijn dan ijzer. Daar is echter niet veel tijd voor in een supernovaexplosie, want de neutronenstraling verdwijnt al snel. En van alle sterren eindigen er slechts zeer weinige – alleen de allerzwaarste – in de vorm van een supernova.
Een nieuwe theorie gaat er daarom van uit dat het leeuwendeel van de zwaarste elementen zoals goud en uranium ontstaan is bij de nog heviger processen die plaatsvinden als twee neutronensterren botsen.