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模拟研究表明，岩石行星的构成物质可能在宇宙大爆炸后仅1亿年就开始形成，当时首批超新星已为太空注入了较重元素。图片来源：Shutterstock

岩质行星的形成时间可能比任何人预期的都要早得多，几乎在第一批恒星为宇宙提供构建它们所需的物质后不久就开始了。

新的计算机模拟表明，星子——像地球这样的行星的固态前体——可能在大爆炸后仅约1亿年就已形成。那时，宇宙的年龄还不到其当前年龄的1%，第一代恒星才刚刚开始改变宇宙的化学组成。

这一发现将岩石行星形成的可能起始时间提前了数十亿年，远早于传统预期，这也开启了一种可能性，即可能适宜居住的环境出现的时间或许也比科学家曾经设想的要早得多。

大爆炸产生了一个主要由氢和氦组成的宇宙，只有少量其他轻元素。制造岩石行星所需的碳、氧、铁、硅和其他成分，后来必须在恒星内部形成。

一些最早出现的恒星，即所谓的第三星族（PopulationIII）或PopIII恒星，被认为质量极大。当某些PopIII恒星走到生命尽头时，它们会发生爆炸，将新形成的元素散布到周围的空间中，把原本纯净的气体云变成了物质，最终可以从中形成化学成分更为复杂的恒星和行星。

超新星为早期宇宙播下了种子

一次特别剧烈的爆炸可能极大地加速了那个过程。

对不稳定超新星预计会在一些质量极大的恒星中发生。这种爆炸不会留下传统的恒星残骸，而是会彻底瓦解恒星，并释放出大量新形成的元素。

地球。图片来源：朴茨茅斯大学

模型显示，一些第三星族对不稳定超新星可能会抛射出超过太阳质量100倍的重元素。这些元素可以与附近的气体混合，将其金属丰度（天文学中对氢和氦以外元素丰度的术语）提高到足以形成固体颗粒并最终形成行星物质的水平。

模拟宇宙大爆炸后1亿年的行星形成过程

由朴茨茅斯大学的丹尼尔惠伦等科学家带领的研究人员模拟了接下来可能发生的情况。

一篇论文（我的博士生克里斯杰索普负责了模拟链的第一部分）表明，类地行星的前体可以在低质量、长寿命恒星周围，于宇宙大爆炸后1亿年的首次宇宙爆炸残骸中形成。

为了更直观地理解这一情况，宇宙大约有138亿年的历史，所以这在宇宙历史中是非常早期的阶段，惠伦说。

这些模拟追踪了富集气体在引力作用下坍缩的过程，最终形成了一颗相对较小的恒星，周围环绕着一个旋转的原行星盘。这与年轻太阳周围行星形成时的结构大体相同。

但这个系统本应在宇宙黎明时期就已存在。

足够建造岩石行星的物质

在研究人员的模型中，这颗新生恒星的质量约为太阳的70%。在它周围，尘埃和其他固体物质在星盘中聚集，开始形成星子。

这些天体是行星形成过程中的一个重要中间阶段。尘埃颗粒首先相互碰撞并黏合在一起，最终形成越来越大的天体。一旦星子形成，持续的碰撞和引力相互作用就可能形成行星胚胎，并有可能形成完整大小的行星。

模拟产生了相当于数个地球质量的星子，这些星子距离恒星大约0.5到1个天文单位。1个天文单位（AU）是地球与太阳之间的平均距离，约为9300万英里（1.5亿公里）。

Whalen说：在我们对早期宇宙的计算机模拟中，我们发现了一个这样的盘，围绕着一颗质量约为太阳70%的年轻恒星。在这个盘内，足够的固体物质积累起来，在与恒星的距离大致相当于地球到太阳的距离处，形成了相当于几个地球质量的行星构建块。

星子只是岩质行星得以形成的起始物质，而且很多因素都可能中断这一形成过程。不过，在宇宙历史如此早的阶段就产生了相当于数个地球质量的星子，这表明行星原材料的缺乏可能并未像曾经认为的那样，长时间阻碍岩质行星的形成。

水出现在一个古老的行星形成盘上

模拟圆盘的另一个显著特征是其含水量。

惠伦及其同事早期的研究发现，在宇宙大爆炸仅1亿到2亿年后，富含原初超新星物质的致密云团中就可能形成水。其中一些云团的水浓度仅比太阳系的水浓度低几倍。

早期行星可能如何获得水

新的模拟将该场景推进到了行星形成阶段。

最令人惊讶的是，该盘状物还含有大量的水，其水量仅比我们太阳系形成时的水量少几倍。这意味着在那里形成的任何行星都有可能以与地球相似的方式获得水——地球的大部分水被认为来自行星形成过程中遗留的物质，惠伦说。

研究人员模拟的星子是在该星系的水雪线内形成的，水雪线是一个温度通常过高、大量水冰无法留存的区域。因此，那些特定的星子最初可能相对干燥。

这并不一定排除有水行星的存在。研究人员认为，正在形成的行星后期可能会从距离恒星更远的物质中获得水，这与为地球早期获得水源所提出的某些设想情景类似。

古老的行星系统可能存续至今

这些含义变得尤其耐人寻味，因为模拟中的恒星是一颗低质量恒星，而非那些产生原始元素的短命巨星之一。

这些计算甚至表明，在有利的情况下，类似的富含水的原行星盘早在大爆炸后约5000万至1亿年就可能已经出现。

岩质行星可能在地球形成数十亿年前就已出现

这种可能性极大地改变了行星演化所能利用的宇宙时间线。地球大约形成于45亿年前，在大爆炸之后90多亿年。因此，在宇宙黎明时期诞生的岩石行星会比地球早数十亿年。

这类行星是否真的形成过、存活下来过，或者是否曾具备宜居条件，目前仍不得而知。该研究基于数值模拟，而非对某个古老行星系统的观测，且早期宇宙的环境与现在大不相同，往往更为剧烈。

这项研究反而揭示了一个更根本的事实：开始组装岩质行星所需的物理成分和过程，可能在第一批恒星开始制造重元素后不久就已出现，这令人惊讶。

我们的研究结果表明，行星形成的条件可能比之前认为的要早得多。如果是这样的话，这就引出了一个有趣的问题：潜在的宜居世界是否也可能在宇宙历史中出现得早得多？惠伦说。

参考文献《低质量恒星周围富水盘中的星子》，作者：爱德华I沃罗比约夫、丹尼尔J惠伦、穆罕默德A拉蒂夫、亚历山大M斯克利亚列夫斯基、克里斯托弗杰索普、松叶良树、细川贵志和德韦什南达尔，2026年7月30日，arXiv。DOI2501.08375

相关知识

类地行星是与地球结构相似的行星，主要由岩石和金属组成，拥有固体表面。太阳系中的类地行星包括水星、金星、地球和火星，它们体积相对较小，密度较高，距离太阳较近。这类行星通常有明确的地壳、地幔和核心结构，部分可能存在大气层或液态水的痕迹，是探索地外生命的重要目标之一。

BY: University of Portsmouth

FY: AI

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