En neutronstjärna är den gravitationsmässigt kollapsade kärnan av en massiv stjärna. När stora stjärnor förbrukar allt sitt kärnbränsle bygger de upp en kärna av järn lika stor som planeten Jupiter, som innehåller cirka 1.44 solmassor av material. Eftersom sammansmältning av järnkärnor kräver att man lägger in mer energi än vad som produceras, producerar kärnfusion inte längre det kärntryck som krävs för att förhindra att stjärnan kollapsar i sig själv.
Under de sista ögonblicken av kollaps övergår jättestjärnans järnkärnfas till neutronium, ett materiatillstånd där alla elektroner och protoner i järnatomerna smälts samman för att inte producera annat än neutroner. Eftersom neutroner är neutrala stöter de inte bort varandra som de negativt laddade elektronmolnen i konventionell materia gör. Genom att pressas ihop av enorm gravitationsenergi har neutroniumet liknande densitet som en atomkärna, och i själva verket kan hela kärnan ses som en stor atomkärna. Dess ljus- och värmekälla avbryts, stjärnans yttre lager faller inåt och studsar sedan tillbaka efter att ha slagit mot det nästan inkompressibla neutroniumet. Resultatet är en supernova, en process som varar från dagar till månader.
Slutresultatet är en supernovarest, en neutronstjärna mellan 1.35 och 2.1 solmassor, med en radie mellan 20 och 10 km. Detta är en massa större än solen som kondenseras i rymden lika stor som en liten stad. Neutronstjärnan är så tät att en enda tesked av dess material väger en miljard ton (över 1.1 miljarder ton).
Beroende på neutronstjärnans massa kan den snabbt kollapsa till ett svart hål, eller fortsätta existera praktiskt taget för evigt. Olika neutronstjärnor inkluderar radiopulsarer, röntgenpulsarer och magnetarer, som är en underkategori av radiopulsarer. De flesta neutronstjärnor kallas pulsarer eftersom de sänder ut regelbundna pulser av radiovågor, genom en exakt fysisk mekanism som inte är helt förstådd, och långsamt suger energi från sin egen rörelsemängd.
Vissa neutronstjärnor avger inte synlig strålning. Detta beror troligen på att radiopulser sänds ut från deras poler och polerna hos vissa neutronstjärnor inte är vända mot jorden.
Röntgenpulsarer sänder ut röntgenstrålar snarare än radiovågor och drivs av extremt het inströmmande materia snarare än sin egen rotation. Om tillräckligt med materia faller in i en neutronstjärna kan den kollapsa till ett svart hål.
Den mest intensiva varianten av neutronstjärnor är en som kommer från en moderstjärna som roterar mycket snabbt. Om stjärnan roterar tillräckligt snabbt, matchar rotationshastigheten inre konvektiva strömmar och skapar en naturlig dynamo som pumpar den kollapsande stjärnans magnetfält upp till enorma nivåer. Stjärnan kallas då en magnetar. En magnetar har ett magnetfält som liknar det hos en biljon stjärnor värda av kraftfulla neodymmagneter som överlappar samma punkt.