宇宙の初期には温度が高かったため、ほぼすべての原子は電離している。原子核と電子は結合してもすぐに高エネルギーの光子により分解されてしまうからである。宇宙膨張により宇宙の温度が低下すると、高エネルギーを持つ光子の数が減り、原子核と電子が結合して中性原子がつくられるようになる。このように原子の中性化が起きる時期のことを再結合期という。宇宙初期の元素は水素原子が大半を占めている。そこで宇宙の再結合期とは水素の中性化が起きる時期を指すことが多い。ただし再結合期の宇宙の温度は 3500 K 程度であり、水素のイオン化エネルギーに対応する13.6 eV $\approx$ 1.6×10⁵ Kよりもずっと低い。この理由は、原子数よりも光子数の方がはるかに多いため、平均エネルギーよりもはるかに高いエネルギーを持つ光子の数が無視できないからである。再結合期の後は宇宙にある自由電子の数が急激に減少するため、それまで自由電子と散乱していた光子が直進できるようになる。これを光子の脱結合、あるいは宇宙の晴れ上がりと呼ぶ。脱結合した光子は宇宙膨張による赤方偏移でエネルギーを減らしつつも、そのままわれわれのところまで届いて宇宙マイクロ波背景放射として観測される。