핵합성(核合成, nuclear synthesis)은 원자핵이 서로 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성하는 과정을 의미한다. 이는 우주에서 자연적으로 발생하는 중요한 현상 중 하나로, 별의 내부에서 일어나는 핵융합 반응에 의해 주로 이루어진다. 이러한 핵합성 과정은 원자력의 기초를 이루며, 별의 생성과 생애주기, 그리고 우주의 원소 분포에 결정적인 역할을 한다.

핵합성의 가장 일반적인 예는 수소 원자핵이 서로 융합하여 헬륨 원자핵을 만드는 과정이다. 이 반응은 수소 폭탄 및 태양과 같은 별의 에너지원으로 작용하며, 이 과정에서 방출되는 에너지는 별이 빛나고 열을 방출하는 근본적인 이유가 된다. 태양에서는 매초 약 600만 톤의 수소가 헬륨으로 변환되며, 이 과정에서 방출되는 에너지는 지구상 생명체에게 필수적이다.

핵합성은 단순히 수소와 헬륨의 융합에 그치지 않는다. 별이 진화를 계속하면서, 내부 온도와 압력이 증가하게 되면, 헬륨이 더 무거운 원소로 합성되는 과정이 시작된다. 이 과정을 통해 탄소, 산소, 네온, 철 등 다양한 원소가 생성된다. 별의 중심에서 이러한 핵합성이 일어날 때, 생성된 원소는 별의 외부로 방출되거나, 별이 폭발하는 초신성 과정에서 우주로 퍼지게 된다.

핵합성이 이루어지는 과정은 우주 초기의 대폭발 이론과 밀접한 관련이 있다. 빅뱅 직후의 우주는 주로 수소, 헬륨, 그리고 소량의 리튬으로 구성되어 있었다. 이후 우주가 팽창하고 온도가 낮아지면서 이 원소들이 다시 결합하는 과정에서 더 무거운 원소들이 생성되었다. 이론적으로 이러한 과정은 현재 관측 가능한 다양한 원소의 분포를 설명할 수 있는 중요한 기초가 된다. 따라서 핵합성은 우주의 진화와 원소의 기원을 이해하는 데 필수적인 개념이다.