形成岩质行星的条件，可能比此前认为的早数十亿年出现

在今天的宇宙中，遍布着行星。但在宇宙刚刚诞生时，情况完全不同。过去的研究通常认为，行星形成是一个相对缓慢的渐进过程，直到宇宙年龄达到今天的大约一半、宇宙平均金属丰度超过某个临界值之后，行星形成活动才达到高峰。

但在一项新发表于《体物理学杂志快报》的研究中，一个研究团队通过数值模拟发现，在宇宙黎明时期，也就是大爆炸后仅约1亿年，超新星爆发就能够将周围局部气体的金属丰度提高到最高约为太阳金属丰度的水平。他们证明了，作为类地行星前身的星子，可以在这类超新星爆发留下的遗迹中，围绕低质量、寿命很长的恒星形成；这一过程甚至可以发生在最早的星系形成之前，远远早于此前的设想。

行星原料的来源

宇宙中的第一代恒星被称为星族III恒星。它们诞生时，宇宙中充满了几乎未经重元素污染的原初气体，其中只有氢、氦和少量锂。在这些最早的恒星中，有一些质量极其巨大，并最终以剧烈的超新星爆发结束一生。这些爆发具有一个至关重要的作用：它们第一次把恒星内部制造的重元素大量释放到宇宙中。

碳、氧、铁等元素不仅是后来形成生命的重要原料，同样也是形成岩石行星所必需的物质。没有这些重元素，就很难形成尘埃颗粒，更难进一步形成星子和类地行星。因此，第一代超新星可以被看作宇宙中最早的一批“重元素工厂”。

在星族III恒星的爆发中，有一种特别极端的类型叫作对不稳定超新星。这类爆发威力极其巨大，会将原来的恒星彻底摧毁，并且一次爆发就能向此前几乎不含重元素的周围环境中抛出超过100个太阳质量的重元素。

宇宙学模拟表明，这些超新星产生的氧，可能使超新星遗迹中的致密气体核心含有相当比例的水。这或许为后续世代恒星周围形成富水的原行星盘创造了条件，从而使形成行星所需的条件，最早可能在大爆炸后1.5亿至2亿年就已经具备。

行星的种子

星子是行星形成过程中一个关键的中间阶段。它们比普通尘埃和颗粒大得多，但还没有成长为真正的行星。在新的研究中，为了检验星族III超新星遗迹中的这些富水致密核心是否能够形成星子，研究团队开展了数值模拟，追踪了一个位于对不稳定超新星遗迹中的致密气体核心，会如何在自身引力作用下坍缩，并在一颗原恒星周围形成原行星盘。

模拟展示了原恒星形成后1.3万至6万年间，原行星盘的形成与演化过程。（图/Vorobyov et. al. 2026）

模拟从一个质量约为1个太阳质量的气体云核心发生引力坍缩开始。随着气体云不断坍缩，物质向中心聚集。大约2.4万年后，一颗原恒星形成。但气体并不会全部直接落向恒星。由于原始气体本身具有角动量，一部分物质会围绕正在形成的恒星旋转，并逐渐形成一个扁平的原行星盘。

通过进一步追踪这个早期原行星盘中气体和尘埃的演化，研究人员发现，在一颗低质量原恒星周围，盘中的固体物质能够不断聚集，并最终形成星子。模拟中，大量星子集中出现在距离中心恒星约0.5—1.0个天文单位的位置。作为对比，地球与太阳之间的平均距离正好是1个天文单位。这些星子的总质量达到数个地球质量。

原恒星形成4万年后的模拟结果，展示气体、尘埃、星子分布及尘埃与气体质量比。（图/Vorobyov et. al. 2026）

虽然这项模拟并没有继续计算到一颗完整行星真正形成，因为这需要复杂的多体建模和大量计算资源，但形成出来的星子已经足够多，原则上可以进一步聚集成一颗火星质量甚至地球质量的行星。

不缺水？

这项研究另一个令人意外的结果，是这个极早期原行星盘中已经存在相当丰富的水。其中水的质量分数，只比太阳系形成时期的相应水平低几倍。这意味着如果盘中的星子最终成长为行星，这些行星也可能以一种与地球相似的方式获得水。

因此，至少从物质条件上看，宇宙最早的一批类地行星并不一定缺少水。适合行星形成的条件可能比此前认为的出现得早得多。如果确实如此，那么一个很有意思的问题也随之而来：潜在宜居的世界，是否也可能比我们此前想象的早得多就已经出现？

#参考来源：

https://aasnova.org/2026/09/02/primordial-planetesimals-from-the-guts-of-population-iii-stars/

https://www.port.ac.uk/news-events-and-blogs/news/the-ingredients-for-planets-formed-far-earlier-than-thought

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae907c

#图片来源：

封面图&首图素材来源：NSF/AUI/NSF NRAO/S.Dagnello