在大爆炸的那一刻，宇宙充满了能量，但没有星星。随着它的膨胀和冷却，形成了质子和中子，在最初的3 – 4分钟，以及在大约38万年后的中性原子。就形成了第一颗恒星，但宇宙仍然是黑暗的，在宇宙大爆炸的5亿5千万年前，它的观察者无法看到这种星光。为什么这么长时间？
我们今天观察到的膨胀的宇宙，充满了星系和复杂的结构，从一个更小、更热、更密集、更均匀的状态产生。然而一旦中性原子形成，就需要约5.5亿年前的“黑暗时代”结束。图片版权：C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
如想知道的一件事是为什么黑暗时代持续了数亿年？或数量级更小，又或者更多？恒星和星系的形成是光产生的一个巨大的步骤，但它还不足以结束“黑暗时代”本身。
早期的宇宙充满了物质和辐射，它是如此的炙热和致密，以至于它阻止了质子和中子在第一次的第一次反应中稳定地形成。反物质会消失，物质和辐射粒子以接近光速的速度前进。图片版权：RHIC collaboration, Brookhaven
试着想象一下宇宙，就像它只有几分钟的时候一样——在中性原子形成之前，太空中充满了质子、光核、电子、中微子和辐射。在这个早期阶段有三个重要的事情发生：宇宙在任何位置上都是非常均匀的，密度最大的区域只有比密度最小的区域多。
由于引力的作用，而密度过高的区域会产生额外的吸引力，使之发生。而辐射，主要是光子的形式，向外推，抵抗物质的引力效应。只要有足够的能量，它就能阻止中性原子稳定地形成。只有当宇宙的膨胀冷却到足够的温度时，中性原子才不会立即被具体化。
在早期炙热的宇宙中，中性原子形成之前，光子以非常高的速率散射电子(以及较小的程度，质子)，在它们做的时候传递动力。在中性原子形成后，光子简单地沿着一条直线行进。图片版权：Amanda Yoho
在宇宙诞生38万年后，辐射(大部分是光子)在任何方向上都是自由通过现在中性的物质。138亿年后我们可以看到宇宙大爆炸的余辉——宇宙微波背景。由于宇宙的膨胀，由于波长的延长，它现在处于光谱的“微波”部分。但更重要的是，这里有一种温度波动的模式，它与宇宙中密度过高、密度较低的区域相对应。
在宇宙只有38万年的时候，密度过高、平均密度和密度较低的区域对应着CMB的冷、平均和热点。图片版权：E. Siegel / Beyond The Galaxy
一旦形成中性原子，引力就会变得更容易发生，因为光子很容易与自由电子相互作用，但与中性原子的作用要小得多。当光子冷却到更低和更低的能量时，物质对宇宙变得更重要，因此引力开始发生。引力的作用需要大约50 – 1亿年才能使足够的物质聚集在一起，而气体冷却到足以使其坍缩，这样才能形成最初的恒星。核聚变就会点燃，宇宙中第一个重元素诞生了。
宇宙的大规模结构随着时间的推移而变化，因为微小的缺陷形成了第一个恒星和星系，然后合并形成我们今天看到的巨大的现代星系。从很远的地方看，我们发现了一个更年轻的宇宙，就像我们过去的地方一样。图片版权：Chris Blake and Sam Moorfield
但即使有了这些星星，宇宙仍然处于黑暗时代。所有这些中性原子遍布整个宇宙，有10^80个，而大爆炸留下的低能量光子对这个正常物质是透明的，高能量的星光是不透明的。这就是为什么你不能在可见光中看到银河中心的恒星，但在更长的时间里(例如红外线)，可以通过中性的气体和尘埃看到。
这四种视图显示了银河系的四个不同波长的光的中心区域，在顶部有较长(亚毫米)波长的波长，穿越了远红外线(2号和3号)，并以可见光的方式结束了银河系。注意，尘埃带和前景恒星使中心在可见光下变得模糊。图片版权：ESO/ATLASGAL consortium/NASA/GLIMPSE consortium/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Acknowledgement: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser
为了使宇宙对星光变得透明，这些中性原子需要被电离。很久以前就被电离了——在宇宙有38万年的历史之前，我们将其称为电离化过程。只有当形成足够多的新恒星，释放出足够多的高能，紫外线光子，才能完成这一过程的电离化，并将黑暗时代终结。虽然在大爆炸后的50亿年之后，最初的恒星可能存在，但详细观察已经告诉我们，在宇宙约有5.5亿年前的时候，再电离是不完整的。
宇宙历史的示意图，只有在第一个恒星和星系形成后才会发生。在恒星或星系形成之前，宇宙充满了阻挡光的中性原子。虽然大多数宇宙直到5亿5千万年前才被电离化，但一些幸运的区域在较早的时候大多被电离化了。图片版权：S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center
那么，我们所看到的最早的星系是如何从宇宙只有4亿岁的时候开始的呢？詹姆斯·韦伯太空望远镜将会看到更远的地方吗？有两个因素可以发挥作用：
TOP1、电离是不均匀的
仅仅因为这个遥远的星系gn – z11，位于星系间介质主要被具体化的区域，哈勃可以在此刻向我们揭示它。詹姆斯·韦伯将会看得更远。图片版权：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
宇宙充满了块状、不完美和不均匀。这也是是伟大的，因为它允许形成恒星，星系，行星，以及人类。但它也意味着一些空间的区域，以及天空中的一些方向，在其他的空间中完全是电离化的。我们所见过的最著名的星系，gni – z11，是一个明亮而壮观的星系，虽然它很年轻，但它也恰好位于宇宙最基本已经完全被具体化的方向。这仅仅是在“平均”电离化时间之前的1.5亿年前发生的意外发现。
TOP2、较长的波长对这些中性原子是透明
虽然宇宙在早期的时候是黑暗的，但在可见光和紫外光的照射下，较长的波长对中性原子是透明的。例如“创生之柱”在可见光下是出了名的不透明，但如果我们用红外线观察它们，就能很容易地看到里面的恒星。
同一物体的可见光(L)和红外(R)波长的观点——创生之柱。注意气体和尘埃对红外辐射的透明度，以及它如何影响我们能探测到的背景和内部恒星。图片版权：NASA/ESA/Hubble Heritage Team
詹姆斯·韦伯太空望远镜不仅将是一个主要的红外观测站，而且将被设计用于观测从这些早期恒星发出的红外线。通过扩展到30微米的波长，进入中红外，它将能够观察到宇宙黑暗时期。
随着我们对宇宙的探索越来越多，对不那么微弱的物体越来越敏感，而那些被中性原子所阻挡的物体也会受到干扰。但有了红外线观测站就能看到它们。图片版权：NASA / JWST and HST teams
宇宙是黑暗的，因为它里面的原子是中性的。即使是98%的被电离化的宇宙仍然不透明到可见光，它需要大约5亿年的星光才能完全电离所有的原子，给我们一个真正透明的宇宙。当黑暗时代结束的时候，我们可以看到所有波长的光，但在此之前，我们要么是幸运的，要么是长得不太好的波长。
通过形成恒星和星系，让光线变得明亮，还不足以结束宇宙中的黑暗时代。创造光只是故事的一半；创造一个可以一直传播到你眼睛的环境同样重要。为此，我们需要大量的紫外线，这需要时间。然而通过正确的方式可以窥视黑暗，看看我们以前从未观察过的东西，在不到两年的时间里，这个故事就开始了！
