La química de los siglos XVIII y XIX mostró que de todas las substancias que hay en la naturaleza, cerca de noventa de ellas, llamadas elementos, forman la base de todas las demás. Así por ejemplo, el agua es una combinación de los elemetos hidrógeno y oxígeno. Posteriormente, la física del siglo XX descubrió que los elementos pueden transmutarse entre ellos por medio de los procesos de fusión nuclear, la unión de elementos ligeros para formar uno mas pesado, o fisión nuclear, la división de un elemento pesado en elementos mas ligeros. En 1939 Hans Bethe encontró cómo se produce la fusión de cuatro átomos de hidrógeno en un átomo de helio dentro de las estrellas, siendo este proceso su fuente de energía. Cada segundo en el interior del Sol, donde prevalecen temperaturas suficientes para que se den las reacciones nucleares, se transforman 609 millones de toneladas de hidrógeno en 605 millones de toneladas de oxígeno, convirtiendose cuatro toneladas de materia en la energía que permite al Sol seguir brillando.
En las primeras décadas de este siglo se descubrió no solo como brillan las estrellas, sino también que el Universo probablemente tuvo un inicio. El descubrimiento de Edwin Hubble de que las galaxias están alejandose unas de otras se interpretó rapidamente como que el Universo se encuentra en expansión. Y si el Universo ha estado expandiendose en forma continua, cabe suponer que originalmente tuvo dimensiones mucho menores y densidades mucho mayores a las actuales. En la década de los treintas el ábate belga Georges Lemaître se planteó por primera vez la cuestión de cómo fue el Universo recien formado (o Universo temprano), razonando que debió tener una densidad parecida a la de los núcleos atómicos, la materia mas densa conocida (1). Algunos años después, George Gamow y otros científicos realizaron los primeros cálculos de las posibles condiciones del Universo temprano, considerando también la presencia de enormes temperaturas. Gamow concluyó que las condiciones del Universo temprano serian propicias para que se dieran reacciones nucleares, como sucede en el centro del Sol, y que en estas parte del hidrógeno, único elemento existente en la formación del Universo, pudo convertirse en helio. Este trabajo probablemente pareció en aquel momento demasiado especulativo, pero comenzó a cobrar particular importancia después de que en 1965 Penzias y Wilson descubrieran el fondo de radiación de microondas y la mayoría de la comunidad científica fuera aceptando el modelo de la Gran Explosión (o "Big Bang").
En los últimos treinta años han ido surgiendo fuertes evidencias de que, efectivamente, existieron reacciones nucleares en los primeros momentos del Universo, mucho antes de que se formara cualquier estrella. De hecho parece ser que practicamente todo el helio que existe se formó en la primera hora de vida del Universo. Los estudios teóricos indican que además de helio se formó también deuterio ("hidrógeno pesado") y un poco de litio. Las condiciones que permitieron las reacciones nucleares fueron sin embargo demasiado breves para permitir la producción de elementos mas pesados, como el carbono y el oxígeno. Estos, y los demás elementos, fueron producidos millones de años después en los interiores de la primera generación de estrellas. La materia de la cual estamos formados los seres vivos estuvo alguna vez en el centro de una estrella que vivó y murió antes de que se formara nuestro Sol.
Apoyando estos cálculos, han habido observaciones astronómicas que muestran que el Universo contiene mas helio que el que las estrellas han podido producir en los quince mil millones de años que nos separan de la Gran Explosión. La conclusión inescapable es que practicamente todo el helio que hay se formó en los primeros minutos del Universo. Al comparar las abundancias primigenias (3) de elementos ligeros estimadas observacionalmente con las calculadas por los modelos teóricos es posible definir con cierta precisión las condiciones del Universo temprano y, tal vez mas importante, la densidad de materia en el Universo. Estos estudios llegan a la incómoda conclusión de que la mayor parte de la materia en el Universo no es del tipo que conocemos y que debe existir algún tipo extraño de materia que no forma ningún elemento y que no puede brillar. Si es esto cierto, las estrellas, las galaxias y todo lo que podemos ver en el cosmos es tan solo una muy pequeña parte de un Universo dominado por materia oscura y exótica, cuya naturaleza nos es aun desconocida.