Une étoile à neutrons est le cœur effondré d'une étoile massive ayant explosé en supernova. Elle concentre environ 1,4 fois la masse du Soleil dans une sphère d'environ 20 kilomètres de diamètre. C'est la densité d'un noyau atomique. Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèserait des milliards de tonnes sur Terre.

Les étoiles à neutrons sont composées presque entièrement de neutrons. Les protons et les électrons du cœur de l'étoile primitive ont été comprimés, et les neutrons résultants sont si densément compactés qu'ils résistent à un effondrement supplémentaire grâce à la pression quantique. La surface est une fine croûte de noyaux plus lourds. L'intérieur peut contenir des états de la matière exotiques, notamment des neutrons superfluides et des protons supraconducteurs.

Elles tournent très vite. La conservation du moment cinétique lors de l'effondrement transforme un noyau stellaire en rotation lente en une étoile à neutrons en rotation rapide. Certaines tournent des centaines de fois par seconde. Elles possèdent également des champs magnétiques intenses, des milliards de fois plus puissants que celui de la Terre. Lorsque ce champ magnétique balaie la Terre, nous observons une impulsion d'ondes radio : ce sont des pulsars.

Les étoiles à neutrons sont de véritables laboratoires pour la physique. Leur gravité est suffisamment intense pour courber la lumière de manière perceptible. Leurs champs magnétiques permettent de tester l'électrodynamique quantique. Leurs fusions produisent des ondes gravitationnelles et forgent des éléments lourds comme l'or et le platine.