宇宙は誕生後に複数回の相転移を経験しており、宇宙の再電離はそれらの中でも最後の相転移とみなされる。宇宙のバリオン物質の大部分は水素とヘリウムからなっているが、宇宙の再電離においては厳密には水素の再電離のことを指す。
なおビッグバン元素合成によって生成されたヘリウムも同様の再電離の段階を経験したと考えられているが、これは宇宙の歴史において水素の再電離とは異なる時点で発生する。こちらは通常はヘリウム再電離 () と呼ばれる。
背景.
検出手法.
これまでの宇宙の歴史を振り返ることに関してはいくつかの観測的な困難がある。しかし、宇宙の再電離を調べるためのいくつかの観測的手法が存在する。
クエーサーとガン・ピーターソンの谷.
宇宙の再電離を調べる手段の一つは、遠方のクエーサーのスペクトルを用いるものである。クエーサーは並外れた量のエネルギーを放出しており、宇宙で最も明るい天体のひとつである。そのため、いくつかのクエーサーは再電離の時期ほどの過去のものであっても検出可能である。またクエーサーは空での位置や地球からの距離に関係なく比較的一様なスペクトルの特徴を持つ。そのため、それぞれのクエーサーのスペクトルの間に見られる大きな違いは、クエーサーからの放射がその視線方向にある原子と相互作用を起こした結果であると解釈することができる。水素のライマン系列のひとつにあるエネルギーを持つ波長は散乱断面積が大きいため、銀河間物質中にある中性水素の割合が極めて少ない場合であってもその波長での吸収は大いに発生しうる。
近傍にある天体の場合、原子の遷移に十分なエネルギーを持った光子のみが遷移を引き起こすことができるため、スペクトル中の吸収線は非常に鋭くなる。しかしクエーサーとそれを検出する望遠鏡の間の距離は非常に大きいため、光は宇宙の膨張にともなう顕著な赤方偏移を起こす。このことは、クエーサーからの光が銀河間物質中を通過して、また赤方偏移を受けることにより、ライマンα線限界未満であった波長が引き伸ばされて実質的にライマン吸収帯を埋め始めることを意味する。そのため、大きく広がった中性水素の領域を通過してきたクエーサーからのスペクトルは、鋭い吸収線が発生するかわりにと呼ばれるスペクトル上の特徴を示すようになる。