التخليق النووي البدائي أنتج 25% هيليوم و75% هيدروجين في 20 دقيقة

بين 10 ثوانٍ و 20 دقيقة بعد الانفجار العظيم، حدثت عملية التخليق النووي البدائي (Big Bang nucleosynthesis) التي أنتجت أول النوى الذرية في الكون. في هذه المرحلة، انخفضت درجة الحرارة إلى حوالي مليار كلفن، مما سمح للبروتونات والنيوترونات بالاندماج لتكوين نوى أثقل. العملية بدأت بتكوين الديوتيريوم (نواة تحتوي على بروتون ونيوترون واحد)، لكن هذه العملية كانت محدودة بـ'عنق الزجاجة' للديوتيريوم - حيث أن الديوتيريوم ضعيف الترابط ويتفكك بسهولة عند درجات الحرارة العالية. بمجرد أن برد الكون بما فيه الكفاية، تمكن الديوتيريوم من البقاء، وبدأت سلسلة من التفاعلات النووية أنتجت الهيليوم-4 (حوالي 25% من كتلة المادة العادية)، والهيليوم-3، والليثيوم-7 بكميات أصغر. لم تتمكن هذه العملية من إنتاج عناصر أثقل من الليثيوم بكميات كبيرة بسبب عدم وجود نوى مستقرة بكتلة 5 أو 8، مما خلق 'فجوة' في التخليق النووي.