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La densité dans une étoile à neutrons est si grande que même les noyaux atomiques des divers éléments chimiques ne gardent plus leur structure, mais se désintègrent en ne laissant qu'un ensemble homogène de protons, de neutrons et d'électrons. De plus, la matière est tellement comprimée par la gravitation que la plupart des protons et des électrons se combinent (malgré leur répulsion électrostatique mutuelle) pour former des neutrons. Une étoile à neutrons est donc, en quelque sorte, un énorme noyau atomique constitué essentiellement de neutrons.
Les étoiles à neutrons ont une masse limite de 2 à 3 fois la masse du soleil. Au delà de cette masse critique, la pression interne d'origine quantique qui s'oppose à la gravitation pour maintenir la structure de l'étoile n'est plus suffisante et l'étoile s'effondre en un trou noir.
Les pulsars sont des étoiles à neutrons ayant un très fort champ magnétique et tournant très rapidement sur eux-mêmes (1 à 1000 tours/sec). Les électrons et les protons de la surface de l'étoile sont accélérés dans le champ magnétique et émettent des ondes radio, et parfois des rayons X et gamma dans un cone le long de l'axe magnétique. Comme l'axe de rotation et l'axe du champ magnétique ne sont en général pas alignés, à chaque rotation, lorsque le cone de radiation pointe vers la Terre, on pourra observer de l'émission radio, X ou gamma. L'emission observée sera pulsée avec une fréquence correspondant au nombre de tours par seconde de l'étoile, d'où le nom de «pulsar» (contraction de «pulsating-star»).
Le pulsar le plus connu est le pulsar du Crabe, qui est le reste de la supernova de l'an 1054 observée dans notre galaxie par les astronomes chinois de l'époque.
Il existe, au coeur de certaines galaxies, une importante source d'énergie en plus du rayonnement thermique des étoiles centrales. Cette région particulièrement lumineuse est appelée un noyau actif de galaxie ("Active Galactic Nuclei": AGN).
Le terme d'AGN englobe une famille d'objets de luminosités très différentes. Lorsque la luminosité de l'AGN est comparable à celle de la galaxie hôte on parle de "galaxie de Seyfert". Elles se présentent dans le visible comme des galaxies spirales habituelles avec un noyau central particulièrement intense.
Il existe aussi des AGN lointains dont la luminosité est si grande que la galaxie hôte n'est presque plus observable: avec un télescope ordinaire, on ne peut observer qu'un point lumineux semblable à une étoile. Ces objets, découverts en 1963, sont appelés des "quasars" (contraction de "quasi-star"). Les quasars sont les objets les plus lumineux de l'Univers. Leur luminosité peut atteindre 1000 fois la luminosité de notre Galaxie ou 100 000 milliards de fois la luminosité du soleil !).
Tous les AGN ont la particularité d'émettre du rayonnement électromagnétique sur une très grande gamme de longueurs d'onde aussi bien dans l'infrarouge, l'optique, l'ultraviolet et les rayons X. Certains quasars sont aussi de grands émetteurs radio et gamma (la forme de rayonnement la plus énergétique).
Une autre caractéristique essentielle des AGN est leur très grande variabilité. La luminosité de ces objets peut varier d'un facteur deux et plus en quelques mois, voir même en quelques jours seulement. Cette variabilité très rapide limite leur taille à quelques jours-lumière (à peine plus que la taille du système solaire), car une source de rayonnement étendue ne peut pas varier globalement plus vite que le temps mis par la lumière pour la traverser.
La seule manière d'expliquer cette énorme luminosité émise dans un si petit volume est de supposer qu'il y a au coeur de ces noyaux actifs un trou noir super-massif d'une masse d'un million à quelques milliards de fois la masse du Soleil ! L'énergie rayonnée proviendrait de l'énergie cinétique gagnée lorsque de la matière chutte vers le trou noir. Néanmoins, aucun modèle actuel ne permet de décrire exactement comment cette énergie cinétique est effectivement convertie en lumière.
La gravitation a tendance à contracter un corps suffisamment massif (une planète, une étoile ou un nuage de gaz). Ces corps ne s'effondrent pas sur eux-mêmes car il y a une ou plusieurs forces internes qui exercent une pression vers l'extérieur s'opposant ainsi à la contraction gravitationnelle. L'équilibre de toutes les forces maintient la structure du corps.
Les étoile à neutrons sont les corps en équilibres les plus denses connus. Dans les étoile à neutrons, la gravitation est encore tout juste équilibrée par une pression d'origine quantique. La théorie prévoit toutefois qu'une étoile à neutrons de plus de 2 à 3 fois la masse du soleil ne peut plus s'opposer à la gravitation et doit s'effondrer irrémédiablement en un point de masse finie, mais de densité infinie (volume nul). Un tel objet est appelé un "trou noir".
D'où vient le nom "trou noir" ? Sur Terre, à cause de la gravité, un objet (un caillou) lancé en l'air retombe. Mais il existe une vitesse minimale, au-delà de laquelle l'objet ne redescend plus, il part dans l'espace indéfiniment. Cette vitesse est appelée la "vitesse de libération", car c'est la vitesse nécessaire pour se libérer de l'attraction gravitationelle de la Terre. Elle dépend du champ gravitationnel à la surface de l'astre et vaut 11 km/s à la surface de la Terre et 600 km/s à la surface du Soleil. L'attraction gravitationnelle à la "surface" d'un trou noir est si importante que la vitesse de libération y serait plus grande que la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Puisque aucune forme de matière ou d'énergie ne peut voyager plus vite que la lumière, rien, pas même la lumière ne peut quitter la "surface" d'un trou noir.
Des trous noirs d'une masse de 3 à quelques dizaines de fois la masse du soleil se forment probablement comme les étoiles à neutrons, lors de l'explosion en supernova d'une étoile massive en fin de vie.
A part ces trous noirs d'origine stellaire, il existerait des trous noirs super-massifs (1 million à 1 milliard de fois la masse du soleil) au centre de la plupart des galaxies.
Bien que l'on ait pas encore de certitude absolue qu'il s'agisse bien de trous noirs et non d'amas d'étoiles extrêmement denses, les observations ont de plus en plus tendance à confirmer l'existence de ces énormes trous noirs.
Ce sont de tels trous noirs qui sont supposés être à l'origine des phénomènes observés dans les noyaux actifs de galaxies.
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