Ένα αστέρι νετρονίων είναι ένα αστρικό υπόλειμμα – ένα υπερσυμπιεσμένο αντικείμενο που απομένει όταν αστέρια με μάζα μεταξύ 1.4 και περίπου 3 φορές τη μάζα του Ήλιου μας εξαντλούν το πυρηνικό τους καύσιμο και καταρρέουν προς τα μέσα. Το αποτέλεσμα είναι μια συμπυκνωμένη σφαίρα ύλης πλάτους περίπου 20 km (12 μίλια), με ένα βαρυτικό πεδίο περίπου 2 x 10^11 φορές ισχυρότερο από αυτό της Γης.
Η πυκνότητα ενός αστέρα νετρονίων είναι τόσο μεγάλη που τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια που αποτελούν τα άτομα συντήκονται για να σχηματίσουν ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια, τα πρωτεύοντα σωματίδια που αποτελούν το αστέρι νετρονίων. Επειδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, τέτοια σωματίδια μπορούν να συσκευαστούν πολύ στενά μεταξύ τους, με αποτέλεσμα ένα ουράνιο αντικείμενο με παρόμοια πυκνότητα με αυτή του ατομικού πυρήνα.
Το αστέρι νετρονίων είναι ένα εξωτικό αστρονομικό αντικείμενο του οποίου η ύπαρξη είχε προβλεφθεί από τη θεωρία 35 χρόνια πριν ανακαλυφθεί πραγματικά το 1968. Η ταχύτητα διαφυγής για ένα αστέρι νετρονίων είναι περίπου η μισή ταχύτητα του φωτός. Τα ψηλότερα «βουνά» σε ένα τέτοιο αστέρι μετρούν σε χιλιοστά (κλάσματα της ίντσας) και όχι σε χιλιόμετρα (πόδια). Επειδή η ταχύτητα περιστροφής του αστέρα επιταχύνεται καθώς καταρρέει, μπορεί να επιτευχθούν τεράστιοι ρυθμοί γωνιακής ταχύτητας, της τάξης των 30,000 km/sec (18,640 mi/sec) ή μία περιστροφή κάθε χιλιοστό του δευτερολέπτου ή δύο. Όταν αυτά τα ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που μπορεί να ανιχνευθεί στη Γη, λαμβάνονται σε συνεχείς παλμούς, προκαλώντας τον τίτλο «πάλσαρ».
Σχηματισμένο από τον πυρήνα ληγμένων ηλίων, το αστέρι νετρονίων φιλοξενεί εξωτικές μορφές ύλης που δεν υπάρχουν πουθενά αλλού στο σύμπαν: Πυρήνες που αποτελούνται από τεράστιες ποσότητες νετρονίων χωρίς ηλεκτρόνια σε τροχιά, ελεύθερα νετρόνια που επιπλέουν σε μια υπερπυκνή σούπα «νετρονίου» και πιθανώς εξωτικές μορφές ύλης όπως πιόνια ή καόνια. Αυτά είναι σωματίδια που αποτελούνται από ασυνήθιστες διαμορφώσεις ή τύπους κουάρκ, τα συστατικά των υποατομικών σωματιδίων. Επειδή οι συμβατικές ατομικές μορφές ύλης θα τεμαχίζονταν από την τεράστια βαρύτητα και πίεση ενός αστέρα νετρονίων, μπορεί να μην είμαστε ποτέ σε θέση να πραγματοποιήσουμε πειράματα ή παρατηρήσεις σε τέτοια αντικείμενα απευθείας. Οι κύριοι τύποι άστρων νετρονίων περιλαμβάνουν το ακτίνων Χ, το πάλσαρ και το μαγνητάρι.