A neutroncsillagok talán a legfurcsább égitestek világunkban. Nagy tömegű csillagok magjainak maradványai, amelyek életük végéhez értek. A tudósok szerint az ilyen nagy csillagok életük végén neutroncsillagokká vagy fekete lyukakká változnak. Miután a mag összeomlik, a gravitációs nyomás olyan erős, hogy a negatív töltésű elektronok és a pozitív töltésű protonok, amelyek a csillag vasban gazdag magját alkotják, összezúzódnak és töltés nélküli vagy semleges neutronokat hoznak létre. Továbbra is viták tárgyát képezi, hogy milyen külső tényezők által változik át egy csillag fekete lyukká, illetve neutroncsillaggá. A legfontosabb különbség meglehet összeomló csillagmagban rejlik, de napjainkban még a tudósok nem tudják pontosan, hogy hol húzódik a fekete lyukak és a neutroncsillagok közötti határvonal. Ez a bizonytalanság azért áll fenn, mert a neutroncsillagok belsejében történő fizikai jelenségeket továbbra is nehéz analizálni. Mivel a fő különbség a fekete lyukak és a neutroncsillagok között a tömegükben rejlik, szinte biztosnak mondható, hogy a neutroncsillagok is végül fekete lyukakká válhatnak. Hogy megérthessük mennyire drámai és erőszakos jelenség a neutroncsillag születését eredményező szinte teljes gravitációs összeomlás, csak az általa létrehozott anyagot és az égitest méreteit kell megvizsgálnunk. A csillagmagok összeomlása olyan égitest létrejöttét eredményezheti, amelynek tömege hasonló a Napéhoz, de szélessége nem haladhatja meg a húsz kilométert sem. Egyetlen kockacukor, amely ebből a neutronban gazdag anyagból állna, körülbelül egybillió kilogrammot nyomna, ha a Földre kerülne.

A neutroncsillagok jeleinek pontos értelmezéséhez a kutatóknak először meg kell érteniük, mi történik bennük. Vannak sejtéseink, de egy ilyen égitesttel történő közvetlen kísérlet szóba sem jöhet. Ezért a tudósoknak más módszerekhez kell folyamodniuk elméleteik tesztelésére. Az anyag viselkedése  ilyen szupersűrű objektumban annyira bonyolult, hogy még a számítógépes szimulációk sem felelnek meg erre a célra. Habár a neutroncsillagokban lévő formák milliószor nagyobbak, mint az emberi sejtekben, nagyon hasonlítanak egymásra. A közelmúltban feltűnő formákat figyeltek meg az endoplazmatikus retikulum nevű sejtszervben, amely spirális rámpákkal összekapcsolt, egymásra rakott lapokból áll. Ezzel azonos alakzatokat találtak a neutroncsillagok kérgét vizsgáló  molekuladinamikai szimulációkban. Az olyan neutroncsillagokat, mint a PSR J1748-2446ad, azért fedezhették fel viszonylag korábban a többinél, mert forgásuk során minden sarkukból sugárnyalábokat bocsátottak ki, beleértve a rádió-, a látható-, a röntgen- és a gamma-sugárzás hullámhosszait is. Ennek eredményeként, amikor a Föld felé fordulnak, kozmikus világítótornyokhoz hasonlítanak a Földről nézve. Az ilyen égitesteket pulzároknak nevezik. Fontos tudni, hogy minden pulzár neutroncsillag, de nem minden neutroncsillag pulzár. A fényes sugaraknak köszönhetően rengeteg új felfedezést tehettünk a Tejútrendszerben. Vannak azonban olyan esetek, amikor a fényimpulzusok nem érkeznek meg időben. A tudósok úgy vélik, hogy ilyen esetben láthatatlan tömeg haladhat el a pulzárok előtt, ami mikroszekundumos szinten késést okozhat a jelekben. Hogy pontosan mik ezek a tömegek, az még nem ismert. Egyelőre tömegkoncentrációknak nevezik, mert még nem lehet pontosan meghatározni, hogy mik is valójában. 

A neutroncsillagok középpontjában a szélsőséges sűrűség következtében a neutronok felbomlanak, majd kvarktenger keletkezik. Ennek az anyagnak az állapotegyenletét a kvantum-kromodinamika törvényei szabályozzák. Mivel QCD-anyagot (kvark) nem lehet előállítani egyetlen laboratóriumban sem a Földön, az ezzel kapcsolatos jelenlegi ismeretek nagy része csak elméleti. Rendkívül nagy sűrűség esetén a kvarkok várhatóan párosulnak. Ez csak extrém körülmények között fordulhat elő. A neutroncsillagok méretének és az egyesülés során bekövetkező deformálódásuk mérésével a kutatók megbecsülhetik belső nyomásukat. A Caltech (Kaliforniai Egyetem) tudósa, Kareem El-Badry által vezetett kutatások 2024-ben lázba hozták a tudományos közösségeket. 21 neutroncsillagot fedeztek fel, amelyek Naphoz hasonló csillagok körül keringenek és nem szívnak el anyagot tőlük. Ez a felfedezés azonban érdekes kérdést vet fel: hogyan kerül egy felrobbant csillag olyan típusú csillag mellé, mint a Nap? Az újabb felfedezés megkérdőjelezi a kettős rendszerek kialakulásával és fejlődésével kapcsolatos elméleteket, különösen azokat, amelyek a neutroncsillagokról szólnak. 

A mintegy 4500 fényévnyire, a Szextáns csillagképben található ezredmásodperces pulzár szorosan kering kísérőcsillaga körül. Amikor 2007-ben azonosították, normál rádiópulzárnak tűnt. Az archív adatok azonban azt mutatták, hogy ez ugyanaz az objektum, amelyet a csillagászok korábban röntgen-bináris rendszerként azonosítottak – olyan csillagpár, ahol az egyik anyagot lop el a másiktól, így forró akkréciós korongot alkot, amely képes röntgensugárzást kibocsátani. 2007-re ez az akkréciós korong eltűnt. A röntgensugárzás bizonyította, hogy ezek a pulzárok valóban megpörgetik magukat azáltal, hogy időnként anyagokat halmoznak fel a gazdacsillagból, amely forró korongot képez a pulzár körül és röntgensugarakat bocsát ki. Sok neutroncsillag lelassul, ahogy öregszik, miközben körülbelül nyolcszoros másodpercenkénti fordulatszámra csökken. Más a helyzet azonban azokkal a neutroncsillagokkal, amelyek csillaganyagot lopnak. Ez az anyag szögimpulzusokat hordoz, így az anyagátadás valóban felgyorsíthatja a neutroncsillagok forgását (másodpercenként akár hétszázra is). 

A magnetárokról, a neutroncsillagok egyik típusairól egyelőre hiányosak az ismereteink, mert nincs a közelünkben egy sem. Aktív életük nem tekinthető túl hosszúnak, mert a nagyon erős mágneses terük nagyjából nyolcezer év elteltével elkezd gyengülni. A magnetárok joggal viselik az eddig bejegyzett legnagyobb mágneses mezővel rendelkező égitestek címét. Annyira erős mezővel rendelkeznek, hogy ezer kilométeres távolságból is halálos lenne. 2018-ban a megfigyelések szerint két neutroncsillag egyesülésének átmeneti eredménye egy hipermasszív magnetár lett, amely rövid időn belül fekete lyukká omlott össze. Tehát abban az esetben, ha neutroncsillagok ütköznek egymással, kilonóva jön létre. Intenzív tértorzító gravitációs hullámokat és rövid, de erőteljes gammasugárzást bocsátanak ki. A kilonóva-eseménybe bekerülő neutroncsillagok méretüktől függően hipermasszívokká válnak, így túlságosnak nagyok lesznek ahhoz, hogy stabilan megmaradhassanak a neutrondegenerációs nyomás miatt. Egy másodperc alatt gyorsan összeomlanak és fekete lyukakká változnak.