Für die Detektion von Neutronensternen sind andere Instrumente erforderlich als für die Detektion normaler Sterne, und sie blieben den Astronomen viele Jahre lang wegen ihrer besonderen Eigenschaften entzogen. Ein Neutronenstern ist technisch gesehen überhaupt kein Stern mehr; es ist die Phase, die manche Sterne am Ende ihrer Existenz erreichen. Ein normaler Stern verbrennt im Laufe seines Lebens seinen Wasserstoff-Brennstoff, bis der Wasserstoff verbrannt ist und die Schwerkraft den Stern dazu bringt, sich zusammenzuziehen und zwingt es nach innen, bis die Heliumgase die gleiche Kernfusion durchlaufen wie der Wasserstoff, und der Stern in einen roten Riesen ausbricht, ein letztes Aufflackern vor seinem endgültigen Kollaps. Wenn der Stern groß ist, wird er eine Supernova aus expandierendem Material erzeugen, die alle ihre Reserven in einem spektakulären Finale verbrennt. Kleinere Sterne werden in Staubwolken zerlegt, aber wenn der Stern groß genug ist, drückt seine Schwerkraft das gesamte übrige Material unter enormem Druck zusammen. Zu viel Gravitationskraft und der Stern implodiert und wird zu einem Schwarzen Loch, aber mit der richtigen Menge der Schwerkraft werden die Überreste des Sterns stattdessen miteinander verschmelzen und eine unglaublich dichte Hülle bilden Neutronen. Diese Neutronensterne geben selten Licht ab und sind nur einige Meilen breit, was sie schwer zu sehen und schwer zu entdecken macht.
Neutronensterne haben zwei Hauptmerkmale, die Wissenschaftler erkennen können. Die erste ist die starke Gravitationskraft eines Neutronensterns. Sie können manchmal daran erkannt werden, wie ihre Schwerkraft sichtbarere Objekte um sie herum beeinflusst. Durch sorgfältiges Aufzeichnen der Wechselwirkungen der Schwerkraft zwischen Objekten im Weltraum können Astronomen den Ort lokalisieren, an dem sich ein Neutronenstern oder ein ähnliches Phänomen befindet. Die zweite Methode ist die Erkennung von Pulsaren. Pulsare sind Neutronensterne, die sich aufgrund des Gravitationsdrucks, der sie erzeugt hat, normalerweise sehr schnell drehen. Ihre enorme Schwerkraft und schnelle Rotation bewirken, dass sie elektromagnetische Energie von ihren beiden Magnetpolen ausströmen. Diese Pole drehen sich zusammen mit dem Neutronenstern, und wenn sie der Erde zugewandt sind, können sie als Radiowellen aufgenommen werden. Der Effekt ist der von extrem schnellen Radiowellenpulsen, wenn sich die beiden Pole nacheinander zur Erde drehen, während sich der Neutronenstern dreht.
Andere Neutronensterne erzeugen Röntgenstrahlung, wenn die Materialien in ihnen komprimiert und erhitzt werden, bis der Stern Röntgenstrahlen von seinen Polen abfeuert. Durch die Suche nach Röntgenpulsen können Wissenschaftler auch diese Röntgenpulsare finden und in die Liste der bekannten Neutronensterne aufnehmen.