Phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp năng lượng cho các vì sao. Đó là quá trình hợp nhất các hạt nhân nguyên tử nhẹ thành các hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng trong quá trình này. Trong lõi Mặt Trời, các hạt nhân hydro hợp nhất thành heli, và sự chênh lệch khối lượng nhỏ được chuyển hóa thành năng lượng theo phương trình của Einstein, E = mc². Năng lượng đó mất hàng chục nghìn năm để truyền đến bề mặt, sau đó mất tám phút để đến Trái Đất.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân đòi hỏi những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt. Các hạt nhân mang điện tích dương đẩy nhau, vì vậy chúng phải chuyển động đủ nhanh để vượt qua lực đẩy đó. Trong Mặt Trời, trọng lực tạo ra áp suất và nhiệt độ cần thiết, khoảng 15 triệu Kelvin. Trên Trái Đất, các nhà khoa học sử dụng từ trường giam hãm hoặc tia laser để tái tạo những điều kiện đó, nhưng thách thức là vô cùng lớn.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân có tiềm năng rất lớn như một nguồn năng lượng. Nhiên liệu của nó dồi dào, chất thải của nó tồn tại trong thời gian ngắn hơn so với phản ứng phân hạch, và nó không tạo ra khí nhà kính. Vấn đề là cho đến nay vẫn chưa ai xây dựng được lò phản ứng tổng hợp hạt nhân tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ. Cơ sở đốt cháy quốc gia (National Ignition Facility) đã đạt được mức năng lượng ròng cao hơn vào năm 2022, một cột mốc quan trọng, nhưng phản ứng tổng hợp hạt nhân thương mại vẫn còn cách xa hàng thập kỷ.

Quá trình thắp sáng các vì sao cũng có thể một ngày nào đó thắp sáng các thành phố của chúng ta.