宇宙中第一代恒星的诞生

宇宙大爆炸过后50万年，炽热的辐射渐渐平息下来，温度慢慢下降，这时宇宙中物质开始占主导地位，中性原子不能被电离，引力开始发挥作用。

从这时开始，到第一颗恒星的形成，宇宙花费了大约5000万到1亿年的时间。

不同的区域开始冷热不均

中性原子最初形成时，标志着光子停止从自由电子中散射出来，因为自由电子只有在原子以等离子体的形式电离时才会出现；由于没有任何东西可以散射，这时，空间中的光辐射以光速运动。

这些光辐射来自各个方向，几乎是完全均匀的，基本都是2970.8 K，但是有些地方略高一点，达到约2971.0K，而有些地方略低一点，约为2970.6K。这些细微的差别，是导致恒星的产生和演化的重要因素。

宇宙中的第一颗恒星可能要在大爆炸后5000万到1亿年之后才会形成。

实际上，这些光一开始都是均匀的（都是完全相同的温度），但是受到所处位置的影响，它们才略有不同。

有些区域的密度与整个宇宙的平均密度完全相同，但有的区域的密度略高或略低于平均密度。密度稍微低的区域，因为其中的物质较少，引力也较小。当一个光子离开该区域时，它要对抗的引力势较小，失去的能量也较少，这个区域的光子会变得比平均温度高；而密度稍微高的区域，其中的物质也较多，因此有更多的引力来对抗，随着光子爬升，它损失的能量超过平均水平，因此整体上变得更冷，或者说能量更少。

接下来，这些密度稍微高的区域会在引力的作用下，吸引越来越多的物质，直到形成恒星。

引力开始聚集

在宇宙中，所有物体都在相互吸引，哪个物体的质量最大，它就会优先吸引周围的所有其他物体。在不断扩展的宇宙中，密度较高的区域会吸引附近密度较低的区域中的任何物质。

从这个意义上说，引力是一种失控的力量，吸引的物质越多，引力就越强，就越能成功地将更多的物质带入其中。

随着宇宙的冷却，引力开始将物质聚集成团，并最终聚集在一起，随着越来越多的物质被吸引在一起，其生长速度越来越快。

但是，值得注意的是，这时宇宙中并非只有物质和引力，还有辐射（以光子的形式存在）。原子物质和暗物质在引力下吸引大质量粒子的同时，也将辐射吸引到了密度较高的区域。

然而，辐射与物质不同，它具有压力。正因为有了辐射压力，这些气体云（聚集到一起的团块）才不会发生引力坍塌。

这种压力也会控制物质的生长速度，即使在一个以物质为主导的宇宙中，只要辐射仍然存在，物质的密度就只能缓慢增加——几百万年间，一直如此。

引力坍塌与核聚变

宇宙诞生300万年后，温度从3000K降到800K，辐射最终冷却到人眼看不见的程度。随着辐射压力的下降，物质团块增长速度逐渐增加，密度变得越来越大。

所有的物质团块都遵循这么一个简单规律：当宇宙温度下降到原来的一半时，它就会快速增长，并且密度变大；当宇宙温度下降达到某个临界阈值（100K左右）时，它的增长速度会迅猛增加，一旦成长到其密度比平均密度大68％时，就开始发生坍塌。

宇宙在均匀膨胀的同时，局部总有微小的密度起伏，这使得宇宙能够随着时间的推移形成恒星、星系和星系团。在均匀背景之上添加局部密度的不均匀，是理解当今宇宙是什么样子的起点。

大爆炸后5000万年时，较为致密的团块都已过渡到迅猛增长的阶段，开始以极快的速度收缩。最终，到达了可以坍塌的地步，形成了炽热而庞大的物体，并点燃其核心的核聚变。

这些庞大的物体几乎完全由氢和氦组成。除了少量的锂（大约占宇宙中所有元素十亿分之一），根本没有更重的元素。当引力坍塌发生时，能量被困在这些物体中，从而导致这些物体变热。当温度超过约400万K的临界阈值时，核聚变开始了。

第一批恒星点亮宇宙

这种核聚变发生在所有密度较高的区域中，并且都是首次。

当核聚变开始时，继续增加这些物体质量的引力，突然被内部辐射压力抵消了。在亚原子水平上，质子在连锁反应中发生聚变，形成氘，然后是氚或氦-3，然后是氦-4，每一过程都释放能量。

随着核心温度的升高，释放的能量也在增加，如此一来，会不断抵消引力持续增加的质量。

当最初的这些氢-氦链反应开始发生时，一颗恒星就此诞生。

宇宙最初形成的这批恒星，就像现代恒星一样，由于引力作用而迅速生长。但是，与现代恒星不同，它们中没有重元素，没有重元素就很难辐射能量，所以不能迅速冷却。因为需要冷却才能坍塌，所以这意味着只有更大，更重的团块，才能形成恒星。

因此，我们在宇宙早期形成的第一批恒星平均质量是太阳的10倍，最大的恒星达到太阳质量的数千倍（相比之下，今天恒星的平均质量仅为太阳的40％）。

第一批恒星发出的辐射的峰值与太阳的不同。太阳主要发出可见光，而这些恒星主要发出紫外光。紫外线光子是一种拥有更高能量的光子，不仅可以晒伤人体，还会使物质发生电离——它们有足够的能量将电子从遇到的原子中撞出来。

再电离与行星盘

由于宇宙大部分的物质是由中性原子组成的，当第一批恒星从这些块状气体云中出现时，光（紫外光）所做的第一件事就是撞向它们周围的中性原子，并将这些原子电离：分裂为原子核和自由电子。

这个过程被称为“再电离”，因为这是宇宙历史上原子第二次被电离（第一次是在中性原子初次形成前）。

但是，由于大多数恒星要花很长时间才能形成，所以还没有足够的紫外线光子来电离宇宙中大部分的物质。

宇宙最初形成的这批恒星中没有重元素，没有重元素就很难辐射能量，所以不能迅速冷却。

在数亿年的时间里，中性原子牢牢控制住再电离的原子。最初的恒星发出的光走不了多远，就会被遍布整个宇宙空间的中性原子吸收，这些原子吸收后被电离，这些电离的物质中的一些会再次变为中性原子，并发出光。

第一批恒星的电离作用和强烈的辐射压力，迫使其它恒星的形成在刚开始后不久就停止；大多数形成恒星的气体云被吹散，并被这种辐射蒸发掉（被电离了）。这些气体云中剩下的的物质塌陷到原行星盘中，但是没有任何重元素，只能形成弥散的巨型行星——像今天我们看到的那样。第一批形成的恒星也不可能有行星依附其上，因为辐射压力会将行星摧毁。

持续形成的恒星

大爆炸后5000万至1亿年，宇宙已经完全打破了均匀，在宇宙引力作用下形成巨大的宇宙网。

最初密度较大的区域不断扩大，随着时间的推移，这些区域吸引了越来越多的物质。与此同时，那些密度低于平均密度的区域开始无法留住位于其中的物质，从而将它们给了密度更高的区域。

结果是，密度较大的区域最先形成恒星，中等密度的区域可能需要五亿年，密度稍低的区域可能需要十几亿年，而密度最低的区域最终也会形成恒星，不过那是在几十亿年之后了。