現存最值得注意的事實之一就是每一種我們觸碰過、看見過或者說有過接觸的材料都由相同的兩種東西組成：帶正電的原子核和帶負電的電子。這些原子相互作用：它們相互推拉，相互結合，吸引和排斥對方，創造新分子，穩定分子、離子、電子能態，毫不誇張地說這些相互作用的方式是我們周圍世界完整存在的原因。
儘管我們的宇宙以及我們能觀察到的宇宙性質都是基於原子及其相關成分的量子和電磁性能，但十分重要的一點是，宇宙的初期，並不具備足以創造我們如今所知物質的所有元素。甚至恰恰相反，它開始不存在任何元素。
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大家看，為了實現這些不同的化學鍵結構，為了構建複雜的分子用於形成我們能感知到的一切組件，我們需要多種多樣的原子。需要留心的是，這不僅僅是大量數量的原子，而且是大量種類的原子，這意味著原子的原子核內質子數量不同，正是這一點區分不同的元素。
我們每個人體內都需要C、N、O、P、Ca和Fe這些元素。地球地殼則需要矽和大量其他重元素構成，然而為了不斷產生地核內的熱量，需要元素周期表內我們能在自然界中找到的最重的元素：釷、鐳、鈾，甚至是痕量的鈽。
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但回到宇宙最初的階段，在人類、生命、太陽系出現之前，在巖態行星甚至是第一顆恆星出現之前，我們曾經所擁有的只有熱的電離的質子、中子和電子組成的海洋。沒有元素、沒有原子、沒有原子核，這個初生的宇宙溫度太高了以致於這些都無法出現。只有後來這個宇宙發生了擴展和冷卻，才能夠形成穩定的物質。
隨著時間流逝，第一個原子核熔凝在一起沒有馬上炸開，產生了氫及其同位素、氦及其同位素，還有極少量的鋰和鈹，而後者會放射性衰變成鋰。這個宇宙開始時，按原子核數量來算，有92%的氫，8%的氦以及大概0.00000001%的鋰。如果按質量來算，大概有75-76%的氫，24-25%的氦以及0.00000007%的鋰。無論你怎麼劃分，幾乎都是氫和氦。
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幾十萬年過後，宇宙冷卻到中性原子能夠形成，在那之後的數千萬年後，引力坍縮使得第一顆星球形成。有了這第一顆星球，核聚變現象不僅僅是為宇宙帶來了光明，且將重元素帶進了我們的現實。
大約是大爆炸之後的五千萬到一億年，第一顆恆星初生之時，大量的氫開始聚變形成氦。但更為重要的是，質量最重的恆星（大概比太陽質量的8倍還多）很快就在僅僅幾百萬年間燃燒盡了這種燃料。一旦它們用盡了其星核心內的氫，氦核緊縮，三個氦核開始聚合形成碳！大約僅僅只是花費了整個宇宙中存在的一兆個（1012）的重型恆星（宇宙最初幾億年形成的1012顆恆星）就使得鋰被打敗了（碳的含量超過了鋰）。
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碳元素會打破規則成為今天的第三元素嗎？你可能會這樣認為，既然恆星將具有洋蔥構造的元素融合了。氦元素融合形成碳元素，在更高的溫度（經過一段時間）碳元素融合形成氧元素，氧元素融合形成矽和硫，矽最後會融合形成鐵元素。在這條聚變鏈的終端，鐵元素不會再融合成為別的元素，所以星核內爆，恆星成為了超新星。
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形成這些超新星的步驟及其後果豐富了這個宇宙，使得所有恆星的外層充斥著重新轉換形成的氫、氦、碳、氧、矽和所有的更重的元素，它們是經過一些其他途徑形成的：
緩慢的中子俘獲（s過程），按次序形成元素。
氦核與更重的元素的融合（形成氖，鎂，氬，鈣等）。
快速的中子俘獲（r過程），形成其他元素一直到鈾，甚至是更重的元素。
但我們不僅僅有此單一的恆星產生方式，我們有很多，現今存在的主要形成方式不僅來自於原始的氫元素和氦元素，而且來自之前恆星形成時產生的一些元素。這非常重要，如果沒有這一點，我們永遠不可能形成巖體星球，僅僅只是一團氫和氦組成的巨型氣團！
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在超過數十億年的時間裡，恆星的產生和死亡的過程在不斷重複，儘管逐漸充斥著越來越多的原料，現在大量的恆星通過我們熟知的C-N-O循環來融合氫，而不是簡單地融合氫成為氦，隨著時間的推移來平整碳和氧的數量（以及有些較少的氮）。
除此之外，當恆星經歷氦融合形成碳時，額外的氦原子也很容易形成氧（甚至加上更多的氦於氧中還能夠形成氖），發生一些我們微不足道的太陽在紅巨星階段下會發生的變化。
原圖
圖解：太陽，它會變為紅巨星（與大角星類似的橙色恆星），圖中是大角星與最大的紅超巨星心宿二。圖源：Wikipedia
但恆星存在一個致命性的行為使碳元素成為宇宙方程中的失敗者：當恆星足夠大使得碳元素開始融合——出現形成類型II超新星的需求——這個過程使得碳近乎完全轉變為氧，當恆星準備好爆炸時這個過程能顯著地製造比碳更多的氧氣。
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當我們看著超新星殘留物和行星狀星雲——分別是非常巨大的恆星殘留物和類日恆星——我們發現在每種星雲中都會發生氧氣過剩然後超過碳。我們還沒發現有其他更重的元素有接近的情況！
是的，氫仍以極大的餘量成為頭號元素，氦也以非常大的數量作為二號存在，但在所有剩餘的元素中，氧是強有力的三號，緊接著碳是四號，然後氖是五號，氮、鎂、矽、鐵、硫分列六、七、八、九、十號。
原圖
圖解：在太陽系中觀察得到的現代元素豐度。圖源：Wikipedia
更遠的未來會怎樣？
在足夠長的時間內，這個時間至少是現代宇宙年齡的上千倍（更有可能是數百萬倍），恆星持續形成直到燃料被釋放於銀河系空間或盡其所能地被完全燃燒。當到了這個時候，氦可能最後取代氫作為最豐富的元素，或者如果能有足夠的氫從融合反應中分離出來，氫仍舊是頭號元素。在更長的時間尺度內，未被我們的星系釋放出來的物質可能會一遍又一遍融合在一起，那麼碳和氧可能甚至會在某一天超過氦，我們現在的三號和四號元素最後會突破前兩位也有可能？
圖解：這兩個棕色的小不點在難以想像的很長的時間內會合併在一起形成一個恆星，也許最後在足夠長的時間，它的主體會開始融合反應。圖源：NASA
最重要的事就是堅持不懈，因為這個宇宙仍在變化！氧現在是宇宙中豐度第三的元素，在非常非常遙遠的未來，它甚至有機會隨著氫元素（然後可能是氦元素）從高位下落而進一步上升。每次當你呼入氧氣並感到滿足時，要感謝在我們之前存在過的所有恆星：他們是我們能擁有氧氣的唯一原因。
作者: Ethan Siegel
FY: Miss K
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