在宇宙誕生后的數百萬年里，它宛如一片沉寂而黑暗的海洋，被一層厚重的中性氫“帷幕”緊緊包裹。那時，宇宙中還沒有璀璨的恒星點亮夜空，沒有壯觀的星系旋渦，更無行星的蹤跡。
然而，這一沉寂并未持續太久。大約在大爆炸后的1億年，宇宙悄然迎來了它的變革時代。在接下來的十多億年里，它從一片荒蕪逐漸演化為一個充滿生機與活力的世界。這一轉變的起點，正是第一批恒星的誕生。它們不僅釋放出巨大的熱量，還孕育出了新的物質，并以其強烈的光芒“撕裂”了彌漫在宇宙中的氫氣，使氫原子中的電子被剝離，導致宇宙中含量最豐富的元素——氫，大部分變成了電離狀態。這一關鍵時期，被稱為“再電離時代”。
再電離時代不僅是宇宙發展的主要舞臺，更是見證了宇宙成長歷程的重要時期。德克薩斯大學奧斯汀分校的理論天體物理學家朱利安·穆尼奧斯曾表示，再電離是宇宙發生的最后一次重大轉變。在那十多億年的時間里，宇宙萬物都發生了翻天覆地的變化，而此后的數十億年里，宇宙的變化則相對較小。
盡管現有的理論對再電離過程有所描述，但我們對宇宙的認知仍存在許多空白。例如，第一批恒星究竟何時形成？它們何時引發了宇宙的再電離？哪種星系在這一過程中發揮了最大作用？黑洞又扮演了怎樣的角色？再電離在時空維度上是如何發展的？這些問題至今仍是未解之謎。
然而，隨著科技的飛速發展，全新的科研工具不斷涌現，科學家們得以更深入地回溯宇宙最初的十多億年。其中，詹姆斯·韋布空間望遠鏡的發射無疑是天文學領域的一大突破。它聚焦于大爆炸后僅數億年就已存在的星系，不斷帶來令人驚嘆的發現。例如，科學家們已經發現了在大爆炸后僅3.5億年就已存在的星系，這一記錄隨后又被刷新，加州大學圣克魯茲分校的天體物理學家布蘭特·羅伯遜及其同事發現了大爆炸后僅2.9億年的星系。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡不僅帶來了許多寶貴的信息，還對人們的認知產生了巨大沖擊。它發現早期宇宙中的星系數量以及它們包含的恒星數量遠超科學家的預期。例如，有6個在大爆炸后7億年內形成的星系，其恒星數量竟能與如今擁有600億個太陽恒星的銀河系相媲美。這些發現促使科學家重新審視星系的演化過程，并引發了關于再電離的諸多重大問題。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡還發現，這些星系產生的光線遠遠超出使宇宙再電離所需要的量，這意味著再電離可能發生的比人們現在所認知的更早。巴黎天體物理研究所的天體物理學家哈基姆·阿泰克及其同事的研究表明，即使是詹姆斯·韋布空間望遠鏡觀測到的最暗淡的早期星系，產生的再電離光線也是預期數量的四倍。這一發現進一步加深了我們對再電離時代的認知。
為了更深入地了解再電離過程，科學家們還在使用下一代射電望遠鏡追蹤早期宇宙中不同時期中性氫的含量。他們通過多種方式對氫進行探測，包括宇宙微波背景輻射的散射情況、類星體產生的光的探測等。然而，這些方法都面臨著諸多困難。因此，科學家們現在試圖探測中性氫自身發出的射電信號，即21厘米譜線。
21厘米譜線源于中性氫原子中電子的量子躍遷，此躍遷會發射出波長為21厘米的少量電磁輻射。雖然這種信號并不常見，但當中性氫大量存在時，就有可能被探測到。科學家們已經通過“氫再電離時代陣列”（HERA）等射電望遠鏡開始探測這種信號。HERA由350個射電天線組成，分布在南非北開普省的一個區域內。盡管望遠鏡本身的技術含量不高，但觀測過程需要最先進的信號處理和數據分析技術。
對中性氫的探測結果同樣超出了現有理論的框架。研究人員開始使用暗物質來解釋這些結果。例如，“探測再電離時代全球特征實驗”（EDGES）的研究人員曾報告稱探測到了比預期更強的21厘米譜線信號，這引發了人們對該發現的諸多質疑。一些研究人員認為氫與暗物質之間的相互作用可能是一種解釋，但這需要一些特殊的物理現象來支持。
未來，將有更多的儀器助力科學家進一步回溯宇宙歷史。例如，平方千米陣（SKA）將試圖繪制整個天空的21厘米譜線信號圖。它將把南非和澳大利亞的射電天線連接起來，建成有史以來最大的射電望遠鏡。還有國家提出了在太空甚至月球上建造新射電望遠鏡的提案，以避免地球的干擾。
