Vũ trụ sơ khai với những ngôi sao đầu tiên

Ngay sau Big Bang, xảy ra khoảng 14 tỷ năm trước, các nguyên tố hóa học duy nhất hiện diện trong vũ trụ là hydro, heli và lithium, ba nguyên tử nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn. Các nguyên tố này dần dần kết hợp với nhau để tạo thành các ngôi sao. Những ngôi sao ban đầu này có khối lượng lớn và tồn tại trong thời gian ngắn, tạo ra các nguyên tố nặng hơn thông qua tổng hợp hạt nhân sao. Carbon, hiện là nguyên tố hóa học phong phú thứ tư trong vũ trụ (sau hydro, heli và oxy), được hình thành chủ yếu trong sao lùn trắng, đặc biệt là những ngôi sao lớn hơn hai lần khối lượng Mặt trời.[96][97]

Khi những ngôi sao này đi đến cuối vòng đời, chúng đã đẩy những nguyên tố nặng hơn này, trong số đó có carbon và oxy, ra khắp vũ trụ. Những nguyên tố nặng hơn này cho phép hình thành các vật thể mới, bao gồm các hành tinh đá và các thiên thể khác.[98]

Theo giả thuyết tinh vân Mặt Trời (Nebular hypothesis), sự hình thành và tiến hóa của Hệ mặt trời bắt đầu vào 4.6 tỷ năm trước với sự sụp đổ hấp dẫn của một phần nhỏ của đám mây phân tử khổng lồ.[99] Phần lớn khối lượng đang sụp đổ tập trung ở trung tâm, tạo thành Mặt trời, trong khi phần còn lại phẳng thành đĩa tiền hành tinh trong đó có hành tinh, mặt trăng, tiểu hành tinh và các thiên thể nhỏ khác trong hệ Mặt Trời được hình thành.

Sự xuất hiện của Trái Đất

Trái Đất kỷ Hadean ban đầu không phải là nơi có thể sống được được với bất kỳ sinh vật nào. Trong quá trình hình thành, Trái Đất đã mất đi một phần đáng kể khối lượng ban đầu và do đó thiếu lực hấp dẫn để giữ hydro phân tử và phần lớn các khí trơ ban đầu.[100] The atmosphere consisted largely of water vapor, nitrogen and carbon dioxide, with smaller amounts of carbon monoxide, hydrogen, and sulfur compounds.[101] The solution of carbon dioxide in water is thought to have made the seas slightly acidic, giving them a pH of about 5.5.[102] Bầu khí quyển Hadean đã trở thành "một phòng thí nghiệm hóa học ngoài trời đặc trưng bởi sự khổng lồ, hiệu quả,"[103] similar to volcanic gases today which still support some abiotic chemistry.[103]

Đại dương có thể xuất hiện 200 triệu năm sau khi Trái Đất hình thành, trong một môi trường khử, nóng 100 độ C, khi độ pH 5,8 tăng lên nhanh chóng hướng tới mức trung tính.[104] Viễn cảnh này đã được hỗ trợ từ việc xác định niên đại của tinh thể zircon 4.404 tỷ năm trước từ thạch anh biến chất thuộc Mount Narryer ở Tây Úc, cung cấp bằng chứng cho thấy đại dương và lớp vỏ lục địa đã xuất hiện trong vòng 150 triệu năm sau khi Trái Đất hình thành.[105] Mặc dù có khả năng sự gia tăng núi lửa và sự tồn tại của nhiều kiến tạo mảng nhỏ hơn, người ta cho rằng từ 4,4 đến 4,3 tỷ năm trước, Trái Đất là một thế giới nước, với rất ít nếu có bất kỳ lớp vỏ lục địa nào, là một sự rối loạn của dòng chảy bầu khí quyển và thủy quyển chịu ánh sáng tia cực tím (UV) cường độ cao, từ giai đoạn T Tauri, bức xạ vũ trụ và tác động của cầu lửa.[106] Sự gia nhiệt bên trong do đối lưu hấp dẫn giữa lõi và lớp phủ sẽ gây ra rất nhiều sự đối lưu lớp phủ, với hậu quả có thể xảy ra là có nhiều mảng kiến tạo nhỏ hơn và hoạt động tích cực hơn so với hiện tại.

Giả thuyết cho Bắn phá hạng nặng muộn đặt ra rằng môi trường Hadean giữa 4,28[1][2] và 3,8 tỷ năm trước sẽ rất nguy hiểm đối với sự sống hiện đại. Theo Mô hình Nice, những thay đổi trong quỹ đạo của những hành tinh khổng lồ có thể đã bắn phá Trái Đất bằng các tiểu hành tinh và sao chổi đã đánh dấu Mặt trăng và hành tinh bên trong.[107] Các vụ va chạm thường xuyên giữa các ngôi sao với các vật thể có đường kính lên tới 500 km sẽ tiêu diệt toàn bộ sự sống trên bề mặt hành tinh và làm bốc hơi các đại dương trong vòng vài tháng sau khi va chạm. Hơi nước nóng và hơi đá tạo thành những đám mây ở cao độ sẽ bao phủ hoàn toàn hành tinh,[103] làm cho quang hợp trở nên bất khả thi. Mưa sẽ từ từ kéo giảm độ dày của các đám mây, trả các đại dương về độ sâu ban đầu khoảng 3.000 y sau sự kiện va chạm.[108] Những tác động trước 3,5 tỷ năm trước cũng sẽ mang lại số lượng chất hữu cơ tương đương với lượng chất hữu cơ được tạo ra từ các nguồn sống trên cạn.[109][110] Khoảng thời gian giữa các sự kiện môi trường tàn phá như vậy cung cấp giai đoạn cửa sổ cho nguồn gốc có thể của sự sống trong môi trường sơ khai. Nếu môi trường thủy nhiệt ở biển sâu là nơi khởi nguồn của sự sống, thì quá trình phát sinh phi sinh học (abiogenesis) có thể đã xảy ra sớm nhất vào thời 4.0–4.2 tỷ năm trước. Nếu địa điểm nằm trên bề mặt Trái Đất, quá trình phát sinh phi sinh học chỉ có thể xảy ra trong khoảng từ 3,7 đến 4,0 Gya.[111] However, new lunar surveys and samples have led scientists, including an architect of the Nice model, to deemphasize the LHB.[112]

Nếu sự sống tiến hóa sâu dưới mười mét, nó sẽ được bảo vệ khỏi cả những tác động muộn và mức bức xạ UV cao từ Mặt trời ở giai đoạn T Tauri. Mô phỏng của lớp vỏ đại dương được làm nóng bằng địa nhiệt tạo ra nhiều chất hữu cơ hơn nhiều so với những mô phỏng được tìm thấy trong thí nghiệm Miller–Urey. Trong miệng phun thủy nhiệt sâu, Everett Shock đã phát hiện ra "có một động lực nhiệt động lực học khổng lồ để hình thành các hợp chất hữu cơ, như nước biển và chất lỏng thủy nhiệt, ở xa trạng thái cân bằng, trộn lẫn và chuyển sang một giai đoạn ổn định hơn."[113] Shock phát hiện ra rằng năng lượng có sẵn đạt cực đại ở 100–150 °C, chính xác là nhiệt độ mà vi khuẩn hyperthermophilic và thermoacidophilic archaea đang sống. Những sinh vật này được đặt ở gốc của cây phát sinh loài, gần nhất với Tổ tiên chung nhất cuối cùng (LUCA).[114]