Ein Neutronenstern ist der gravitativ kollabierte Kern eines massereichen Sterns. Wenn große Sterne ihren gesamten Kernbrennstoff verbrauchen, bauen sie einen Eisenkern auf, der so groß ist wie der Planet Jupiter, der etwa 1.44 Sonnenmassen an Material enthält. Da das Verschmelzen von Eisenkernen mehr Energie erfordert, als produziert wird, erzeugt die Kernfusion nicht mehr den Kerndruck, der erforderlich ist, um zu verhindern, dass der Stern in sich zusammenfällt.
In den letzten Momenten des Zusammenbruchs ändert sich die Eisenkernphase des Riesensterns in Neutronium, einen Aggregatzustand, in dem alle Elektronen und Protonen in den Eisenatomen miteinander verschmolzen sind, um nichts als Neutronen zu erzeugen. Da Neutronen neutral sind, stoßen sie sich nicht wie die negativ geladenen Elektronenwolken in konventioneller Materie ab. Durch die enorme Gravitationsenergie zusammengedrückt, hat das Neutronium eine ähnliche Dichte wie ein Atomkern, und tatsächlich kann der gesamte Kern als großer Atomkern angesehen werden. Seine Licht- und Wärmequelle bricht ab, die äußeren Schichten des Sterns fallen nach innen und prallen dann zurück, nachdem sie gegen das fast inkompressible Neutronium prallen. Das Ergebnis ist eine Supernova, ein Prozess, der Tage bis Monate dauert.
Das Endergebnis ist ein Supernova-Überrest, ein Neutronenstern zwischen 1.35 und 2.1 Sonnenmassen mit einem Radius zwischen 20 und 10 km. Dies ist eine Masse, die größer ist als die der Sonne, die im Raum von der Größe einer kleinen Stadt kondensiert ist. Der Neutronenstern ist so dicht, dass ein einzelner Teelöffel seines Materials eine Milliarde Tonnen (über 1.1 Milliarden Tonnen) wiegt.
Abhängig von der Masse des Neutronensterns kann er schnell zu einem Schwarzen Loch kollabieren oder praktisch für immer bestehen bleiben. Zu den verschiedenen Neutronensternen gehören Radiopulsare, Röntgenpulsare und Magnetare, die eine Unterkategorie von Radiopulsaren sind. Die meisten Neutronensterne werden Pulsare genannt, weil sie durch einen nicht vollständig verstandenen präzisen physikalischen Mechanismus regelmäßige Pulse von Radiowellen aussenden und langsam Energie aus ihrem eigenen Drehimpuls abziehen.
Einige Neutronensterne emittieren keine sichtbare Strahlung. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass von ihren Polen Funkimpulse ausgesandt werden und die Pole einiger Neutronensterne der Erde nicht zugewandt sind.
Röntgenpulsare senden eher Röntgenstrahlen als Radiowellen aus und werden von extrem heißer einströmender Materie und nicht von ihrer eigenen Rotation angetrieben. Wenn genügend Materie in einen Neutronenstern fällt, kann er zu einem Schwarzen Loch kollabieren.
Die intensivste Art von Neutronensternen stammt von einem sich sehr schnell drehenden Mutterstern. Wenn der Stern schnell genug rotiert, entspricht die Rotationsgeschwindigkeit den inneren Konvektionsströmen und erzeugt einen natürlichen Dynamo, der das Magnetfeld des kollabierenden Sterns auf enorme Niveaus pumpt. Der Stern wird dann Magnetar genannt. Ein Magnetar hat ein Magnetfeld, das dem von Hochleistungs-Neodym-Magneten im Wert von einer Billion Sternen ähnelt, die denselben Punkt überlappen.