Зірки, у яких маса в 1,5-3 рази більше, ніж у Сонця не зможуть наприкінці життя зупинити своє стиснення на стадії білого карлика. Потужні сили гравітації стиснуть їх до такої щільності, при якій відбудеться "нейтралізація" речовини: взаємодія електронів з протонами приведе до того, що майже вся маса зірки буде укладена в нейтронах. Утворюється нейтронна зірка. Найбільш масивні зірки можуть звертатися в нейтронні, після того як вони вибухнуть як наднові.

Концепція нейтронних зірок не нова: перше припущення про можливість їх існування було зроблено талановитими астрономами Фріцем Цвикки і Вальтером Баарде з Каліфорнії в 1934г. (дещо раніше у 1932р. можливість існування нейтронних зірок була передбачена відомим радянським ученим Л. Д. Ландау.) В кінці 30-х років вона стала предметом досліджень інших американських вчених Оппенгеймера і Волкова. Інтерес цих фізиків до даної проблеми був викликаний прагненням визначити кінцеву стадію еволюції масивної сжи - мающейся зірки. Так як роль і значення наднових розкрилися приблизно в той же час, було висловлено припущення, що нейтронна зірка може виявитися залишком вибуху наднової. До нещастя, з початком другої світової війни увага вчених зосереджена на військові потреби і детальне вивчення цих нових і найвищою мірою загадкових об'єктів було припинено. Потім, у 50-х роках, вивчення нейтронних зірок відновили чисто теоретично з метою встановити, чи мають вони відношення до проблеми народження хімічних елементів у центральних областях зірок. Нейтронні зірки залишаються єдиним астрофизическим об'єктом, існування і властивості яких були передбачені задовго до їх відкриття.

На початку 60-х років відкриття космічних джерел рентгенівського випромінювання вельми втішило тих, хто розглядав нейтронні зірки як можливі джерела небесного рентгенівського випромінювання. До кінця 1967р. був виявлений новий клас небесних об'єктів - пульсари, що привело вчених в замішання. Це відкриття стало найбільш важливою подією у вивченні нейтронних зірок, так як воно знову підняло питання про походження космічного рентгенівського випромінювання. Говорячи про нейтронних зірках, слід враховувати, що їх фізичні характеристики встановлені теоретично і досить гіпотетичні, так як фізичні умови, що існують у цих тілах, не можуть бути відтворені в лабораторних експериментах. Вирішальне значення на властивості нейтронних зірок надають гравітаційні сили. За різними оцінками, діаметри нейтронних зірок складають 10-200 км. І цей незначний за космічним поняттям обсяг "набитий" такою кількістю речовини, яка може скласти небесне тіло, подібне до Сонця, діаметром близько 1,5 млн. км, а по масі майже в третину мільйона разів важче Землі! Природний наслідок такої концентрації речовини - неймовірно висока щільність нейтронної зірки. Фактично вона виявляється настільки щільною, що може бути навіть твердою. Сила тяжіння нейтронної зірки настільки велика, що людина важила б там близько мільйона тонн. Розрахунки показують, що нейтронні зірки сильно намагнічені. Згідно з оцінками, магнітне поле нейтронної зірки може досягати 1млн. млн. гаусс, тоді як на Землі воно складає 1 гаусс. Радіус нейтронної зірки приймається близько 15 км, а маса - близько 0,6 - 0,7 маси Сонця. Зовнішній шар являє собою магнітосферу, що складається з розрідженої електронної і ядерної плазми, яка пронизана потужним магнітним полем зірки. Саме тут зароджуються радіосигнали, які є відмітною ознакою пульсарів. Швидкі заряджені частинки, рухаючись по спіралях уздовж магнітних силових ліній, дають початок різного роду випромінювань. В одних випадках виникає випромінювання в радіодіапазоні електромагнітного спектра, в інших - випромінювання на високих частотах. Майже відразу ж під магнітосферою щільність речовини досягає 1 т/см3, що в 100 000 разів більше щільності заліза.

Наступний за зовнішнім шар має характеристики металу. Цей шар "надтвердої" речовини, що знаходиться в кристалічній формі. Кристали складаються з ядер атомів з атомною масою 26 - 39 і 58 - 133. Ці кристали надзвичайно малі: щоб покрити відстань в 1 см, потрібно вибудувати в одну лінію близько 10 млрд. кристаликів. Щільність в цьому шарі більш ніж в 1 млн. разів вище, ніж у зовнішньому, або інакше, у 400 млрд. разів перевищує щільність заліза. Рухаючись далі до центру зірки, ми перетинаємо третій шар. Він включає в себе область важких ядер типу кадмію, але також багатий нейтронами і електронами. Щільність третього шару в 1 000 разів більше, ніж попереднього. Глибше проникаючи в нейтронну зірку, ми досягаємо четвертого шару, щільність при цьому зростає незначно - приблизно в п'ять разів. Тим не менше при такій щільності ядра вже не можуть підтримувати свою фізичну цілісність: вони розпадаються на нейтрони, протони й електрони. Більша частина речовини перебуває у вигляді нейтронів. На кожен електрон і протон припадає по 8 нейтронів. Цей шар, по суті, можна розглядати як нейтронну рідина, "забруднену" електронами і протонами. Нижче цього шару знаходиться ядро нейтронної зірки. Тут щільність приблизно в 1,5 рази більше, ніж у вышележащем шарі. І тим не менше навіть таке невелике збільшення щільності призводить до того, що частки в ядрі рухаються багато швидше, ніж в будь-якому іншому шарі. Кінетична енергія руху нейтронів, змішаних з невеликою кількістю протонів і електронів, настільки велика, що постійно відбуваються непружні зіткнення часток. У процесах зіткнення народжуються всі відомі в ядерній фізиці частки і резонанси, яких налічується більше тисячі. По всій імовірності, присутня велика кількість ще не відомих нам часток. Температури нейтронних зірок порівняно високі. Цього і слід очікувати, якщо врахувати, як вони виникають. За перші 10 - 100 тис. років існування зірки температура ядра зменшується до декількох сотень мільйонів градусів. Потім настає нова фаза, коли температура ядра зірки повільно зменшується внаслідок випущення електромагнітного випромінювання.