中子星是大质量恒星的核心坍缩后形成的致密遗骸，这一过程通常发生在超新星爆发期间。它的物质以中子为主，被压缩到与原子核内部相当甚至更高的密度。典型中子星的质量约为太阳的1.4倍，却集中在一个直径仅约20—30千米的球体内。极高的密度、快速的自转和强烈的磁场环境，使中子星成为研究极端条件下物质的重要天然实验室，而这些条件是地面实验无法达到的。(nasa.gov)
形成
当大质量恒星接近生命末期时，接连进行的各阶段核燃烧会形成一个无法再抵抗引力、维持稳定的核心。随着坍缩的进行，质子俘获电子，产生中子和中微子。坍缩中的物质因而越来越富含中子。当密度达到原子核密度时，致密物质的抗压作用可以阻止核心进一步压缩，留下一个炽热的原中子星，而外围的恒星物质层则可能被抛出。(heasarc.gsfc.nasa.gov)
最终结果并不只由恒星的初始质量决定。核心的性质、爆发过程以及回落到遗骸上的物质，都会影响中子星能否存续，还是会形成黑洞。其他已提出的形成途径包括吸积中的白矮星发生坍缩，以及某些致密遗骸的并合；不过，这些途径并不意味着每次此类事件都会产生稳定的中子星。(science.nasa.gov)
结构与致密物质
中子星并不是一个均匀的中子球。模型通常将其分为稀薄的大气、固态壳层和以流体为主的核心。外壳层包含富含中子的原子核，这些原子核排列成晶格，浸没在电子之中。在壳层更深处，中子开始游离于原子核之外。在壳层与核心的交界附近，一些模型预言会出现细长或片状的核物质结构，统称为“核意面”。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
外核通常被建模为主要由中子构成，并含有较少比例的质子和轻子。在更深处，物质组成仍不确定：提出的可能性包括其他参与强相互作用的粒子，或含有解禁闭夸克的物质。这些可能性是不同的理论方案，并非对每一颗中子星都已得到证实的描述。它们的影响可通过压强、密度与物质组成之间的关系来检验，这种关系称为状态方程。(science.nasa.gov)
抵抗坍缩的支撑作用包括与泡利不相容原理有关的简并压力，以及强相互作用的贡献。因此，不能将中子星简单地视为由互不相互作用的中子组成的理想气体，来充分描述其结构。引力也必须用广义相对论处理。对于给定的状态方程，相对论平衡计算可以预言冷的、不自转的中子星的质量—半径关系及其最大质量。这一最大质量并不是一个已经精确确定、普遍适用的单一数值。(heasarc.gsfc.nasa.gov)
脉冲星与磁星
脉冲星是通过有规律地重复出现的辐射被观测到的自转中子星。与其磁场环境或表面有关的辐射，随着中子星自转而扫过观测者的视线，产生类似灯塔的信号。1967年，乔斯琳·贝尔·伯内尔通过射电观测发现了脉冲星。测得的脉冲可以揭示其自转周期，以及自转随时间的变化。(nasa.gov)
由自转供能的脉冲星会逐渐损失自转能量。不过，在双星系统中，对伴星物质的吸积可以将角动量传递给中子星，使其自转加快。这种再加速过程解释了许多毫秒脉冲星的形成，它们完成一次自转仅需几千分之一秒。吸积中的中子星也可以表现为明亮的X射线脉冲星。(fermi.gsfc.nasa.gov)
磁星是一类中子星，其特征是具有异常强大的磁场及相关的高能活动。磁星可以产生强烈的暴发，偶尔还会发生巨耀发。“脉冲星”和“磁星”这两个名称并不互斥：前者描述可观测到的脉冲现象，后者则指具有极强磁场的一类中子星。(science.nasa.gov)
冷却与内部运动
年轻的中子星通过内部的中微子辐射损失大量热能；表面辐射也会促进冷却。结合大气模型和热演化模型来解读表面X射线观测，可以对内部组成和热量输运施加约束。冷却速率取决于哪些粒子反应能够发生，以及粒子是否形成配对态。(arxiv.org)
理论模型预言，中子会表现出超流性，而质子在适当区域会表现出超导性。超流组分的转动速度可能与壳层不同。脉冲星自转速率的突然增加称为“自转突变”，通常被解释为内部组分之间发生了角动量转移，但其具体机制仍在研究之中。(arxiv.org)
测量与并合
通过双星轨道观测可以约束中子星的质量，而半径则需要通过更间接的方式推断。美国国家航空航天局（NASA）的NICER仪器测量中子星自转时表面X射线辐射的变化。模型会考虑相对论性光线弯曲效应，这种效应使背向观测者一侧的部分辐射也能到达观测者。将这些测量结果与质量估计相结合，可以约束致密物质的状态方程。(nasa.gov)
双中子星的轨道会因引力波辐射而损失能量，使两颗星沿螺旋轨道逐渐靠近。2017年8月17日，LIGO和Virgo探测到GW170817，这是首次通过引力波观测到双中子星的旋近过程。相关的电磁观测使这一事件成为多信使天文学的一个重要实例。(ligo.org)
并合期间抛出的物质可以经历快速中子俘获，这是一种产生重元素的核合成过程。抛射物的放射性衰变为一种称为千新星的暂现发光现象提供能量。对GW170817的观测支持了这种元素生成机制，后续分析还在其抛射物中识别出了锶。引力波信号也携带潮汐形变的信息，为中子星结构提供了独立约束。(arxiv.org)