Una stella di neutroni è il nucleo collassato gravitazionalmente di una stella massiccia. Quando le grandi stelle consumano tutto il loro combustibile nucleare, formano un nucleo di ferro grande quanto il pianeta Giove, contenente circa 1.44 masse solari di materiale. Poiché la fusione dei nuclei di ferro richiede l’immissione di più energia di quanta ne viene prodotta, la fusione nucleare non produce più la pressione del nucleo necessaria per evitare che la stella collassi su se stessa.
Durante gli ultimi momenti di collasso, la fase del nucleo di ferro della stella gigante si trasforma in neutronio, uno stato della materia in cui tutti gli elettroni e i protoni negli atomi di ferro sono fusi insieme per produrre nient’altro che neutroni. Poiché i neutroni sono neutri, non si respingono a vicenda come fanno le nuvole di elettroni con carica negativa nella materia convenzionale. Essendo spinto insieme da un’enorme energia gravitazionale, il neutronio ha una densità simile a un nucleo atomico, e infatti l’intero nucleo può essere visto come un grande nucleo atomico. La sua fonte di luce e calore si è interrotta, gli strati esterni della stella cadono verso l’interno, quindi rimbalzano indietro dopo aver sbattuto contro il neutronio quasi incomprimibile. Il risultato è una supernova, un processo che dura da giorni a mesi.
Il risultato finale è un residuo di supernova, una stella di neutroni compresa tra 1.35 e 2.1 masse solari, con un raggio compreso tra 20 e 10 km. Si tratta di una massa maggiore del Sole condensata nello spazio delle dimensioni di una piccola città. La stella di neutroni è così densa che un solo cucchiaino del suo materiale pesa un miliardo di tonnellate (oltre 1.1 miliardi di tonnellate).
A seconda della massa della stella di neutroni, potrebbe collassare rapidamente in un buco nero o continuare a esistere praticamente per sempre. Diverse stelle di neutroni includono pulsar radio, pulsar a raggi X e magnetar, che sono una sottocategoria di pulsar radio. La maggior parte delle stelle di neutroni sono chiamate pulsar perché emettono impulsi regolari di onde radio, attraverso un preciso meccanismo fisico non del tutto compreso, assorbendo lentamente energia dal proprio momento angolare.
Alcune stelle di neutroni non emettono radiazioni visibili. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che gli impulsi radio vengono emessi dai loro poli e i poli di alcune stelle di neutroni non sono rivolti verso la Terra.
Le pulsar a raggi X emettono raggi X piuttosto che onde radio e sono alimentate da materia in ingresso estremamente calda piuttosto che dalla loro stessa rotazione. Se abbastanza materia cade in una stella di neutroni, potrebbe collassare in un buco nero.
La varietà più intensa di stelle di neutroni è quella che proviene da una stella madre che ruota molto rapidamente. Se la stella ruota abbastanza velocemente, la velocità di rotazione corrisponde alle correnti convettive interne e crea una dinamo naturale, pompando il campo magnetico della stella in collasso fino a livelli enormi. La stella viene quindi chiamata magnetar. Una magnetar ha un campo magnetico simile a quello di un trilione di stelle di magneti al neodimio ad alta potenza che si sovrappongono nello stesso punto.