在大爆炸之时，宇宙充满了物质和辐射，但其中没有恒星。 随着膨胀和冷却，质子和中子在第二个原子团的第一部分形成，原子核在前3-4分钟形成，中性原子在前380,000年形成。 又过了50-100亿年，第一批恒星形成了。 但是宇宙仍然一片漆黑，如果有这样的话，观察者们直到大爆炸之后大约5.5亿年的时刻都看不到任何东西。 为什么会这样呢？ 我们的读者感兴趣：
我感兴趣的是，为什么黑暗时代持续了几亿年？ 在我看来，它们的使用寿命至少应少一个数量级。
恒星和星系的形成是创造光的巨大一步，但这不足以结束黑暗时代。 这就是为什么。
早期的宇宙充满了物质和辐射，并且如此炎热和密集，以至于它无法在第一瞬间出现稳定的质子和中子。 在它们出现并消灭了反物质之后，我们发现自己的手上布满了物质和辐射，以接近光速的速度四处窥探。想象一下宇宙，它是在出生后几分钟：在中性原子形成之前。 这个空间充满了质子，光核，电子，中微子和辐射。 在此早期阶段，发生了三件事：
- 就任何地方的物质量而言，宇宙都是非常均匀的，最稠密的区域与最不稠密的区域的密度相差百分之几。
- 重力使物质活跃地聚集在一起，并且在更稠密的区域中还存在附加的吸引力。
- 辐射（大部分以光子形式）将物质推开，抵抗重力。
只要我们有足够的高能辐射，它就会阻止形成稳定的中性原子。 只有当宇宙的膨胀足够强烈地冷却辐射时，中性原子才停止立即电离。
在炎热的早期宇宙中，在形成中性原子之前，光子以非常高的速度从电子（并且在较小程度上从质子）中散射，从而在此过程中传输脉冲。 中性原子形成后，光子仅沿直线移动。此后，在宇宙出现后38万年，这种辐射（大部分是光子）简单地沿它们最后的方向自由传播，穿过现在的中性物质。 138亿年后，我们以遗迹辐射的形式观测到了大爆炸的残留辉光。 如今，这是背景微波辐射，这是由于宇宙膨胀而使波长变长了。 更重要的是，以热点和冷点的形式存在波动的分布，对应于宇宙中越来越密集的部分。
宇宙存在380,000年时存在的密度较大的区域，平均密度和密度较小的区域，分别对应于CMB的寒冷，中等和热点。中性原子形成后，引力坍塌变得更容易发生，因为光子容易与自由电子相互作用，但与中性原子相互作用较弱。 随着光子冷却到越来越低的能量，物质对宇宙的重要性增加，因此引力开始增长。 引力将大量物质聚集在一起大约需要50至1亿年，气体需要足够的时间才能冷却，以使第一颗恒星形成时开始坍塌。 此后，核聚变被启动，宇宙中的第一个重元素出现。
随着时间的流逝，宇宙出现了大规模的结构。 微小的缺陷生长并变成了第一批恒星和星系，然后融合在一起，形成了我们今天观察到的大型现代星系。 当我们远距离观看时，我们会看到一个更年轻的宇宙，类似于我们本地站点的过去。但是即使有这些恒星，宇宙仍处于黑暗时代。 是谁的错 由于所有这些中性原子分布在整个宇宙中。 它们大约是10
80 ，尽管对于大爆炸后留下的低能光子来说，这是透明的，但对于恒星发出的高能光子来说，它是不透明的。 这就是为什么不可能在可见光下看到银河系中心的恒星，但是在更长的波（例如红外线）下，您可以直接通过中性气体和尘埃看到。
在四种不同波长的四种不同类型的银河系； 在顶部是长（亚毫米），然后是远红外，近红外和可见光。 前景中的恒星和尘埃路径在可见光下阻挡了我们的银河系中心。为了使宇宙对星光透明，这些中性原子必须被电离。 他们曾经很久以来就已经被电离过：在宇宙存在38万年之前，所以我们称它们的再电离过程为
电离 。 而且只有当形成许多恒星并发射出许多高能紫外光子时，这种电离过程才能完成，并终结黑暗时代。 尽管第一批恒星可能已经在大爆炸之后的50亿至1亿年出现，但我们的详细观察表明，离电离直到宇宙存在5.5亿年之时才结束。
宇宙历史图，着重强调电离作用，这仅在最初的恒星和星系形成后才发生。 在此之前，宇宙充满了阻挡光的中性原子。 尽管大多数宇宙直到5.5亿年前才经历过电离，但一些最幸运的地点在当宇宙只有4亿年历史时，我们看到的最早的星系是如何发生的？ 詹姆斯·韦伯望远镜如何看待过去？ 这里有两个因素起作用：
1）电离不均匀。 宇宙到处都是块状，瑕疵和异质性。 这很好，它可以使恒星，星系，行星以及人形成。 但这也意味着天空中的某些空间和方向部分在其他部分之前已被完全电离。 我们所知道的最遥远的星系
GN-z11是一个如此年轻的明亮而美丽的星系，但它也位于宇宙几乎被完全电离的方向。 恰好成功地巧合，这发生在“平均”电离之前的1.5亿年。
仅仅因为这个遥远的银河系GN-z11位于银河系环境大部分被离子化的区域，哈勃才得以向我们展示。 詹姆斯·韦伯（James Webb）将走得更远。2）这些中性原子对于长波长是透明的。 尽管在早期，宇宙对可见光和紫外线是不透明的，但对较长的波却是透明的。 例如，众所周知，“
创造的支柱 ”对于可见光是不透明的，但是如果您用红外线观察它们，则可以轻松看到其中的星星。
左侧-在可见光下的视图，右侧-在红外下，在同一对象上：创造的支柱。 观察多少气体和灰尘对红外辐射更透明，以及这如何影响背景和内部恒星。詹姆斯·韦伯望远镜不仅成为主要的红外天文台，而且还专门设计用于观察早期恒星发出的红外光。 在红外范围的中间，他进一步延伸到30微米的波长，将能够观察到黑暗时代本身中存在的物体。
通过研究宇宙的不断扩大，我们不仅对较暗的物体而且对那些被中性原子“阻挡”的物体都具有敏感性。 但是，通过红外天文台，我们也可以看到它们。宇宙已经很暗了很长时间，因为其中的原子已经保持中立了这么长时间。 甚至98％的离子化宇宙仍然对可见光不透明，并且星光完全电离所有原子并使宇宙透明还花费了大约5亿年的时间。 在黑暗时代的尽头，我们可以看到所有波长的光，但是在那之前我们要么很幸运，要么需要观察更长，吸收更少的波。
说“有光”已经形成了恒星和星系，不足以结束宇宙的黑暗时代。 创造光只是成功的一半。 同样重要的是，创造一个可以一直传播到您的眼睛的环境。 为此，我们需要大量的紫外线和时间。 但是，如果您看起来正确，我们可以进入黑暗中，看看我们以前从未见过的东西。 在不到两年的时间内，这个故事就会开始。
伊桑·西格尔 （ Ethan Siegel） -天体物理学家，科学普及者，《爆炸的开始》的作者！ 他写了《超越银河》（ Beyond the Galaxy ）和《追踪学：星际迷航的科学》（ Treknology ）一书。