La mayoría de las estrellas brilla de forma constante año tras año, siglo tras siglo. Las estrellas variables son distintas, pues fluctúan durante períodos cortos, y tienen notable importancia en astronomía. Algunas estrellas variables presentan un comportamiento regular, de modo que sus curvas de luz se repiten una y otra vez. En particular, figuran las Cefeidas, llamadas así debido a que su prototipo es Delta Cephei . Las Cefeidas son absolutamente regulares y, a causa de su gran luminosidad, pueden ser vistas a enormes distancias.
Las novas, o "estrellas nuevas", no son verdaderamente nuevas; lo que sucede es que una estrella que antes era débil resplandece varias veces por encima de su brillo normal, manteniéndose brillante durante varios días, semanas o meses antes de desvanecerse de nuevo en la oscuridad. Algunas Novas han llegado a ser muy brillantes (como Nova Persei en 1901 y Nova Aquilae en 1918). Una nova es un sistema binario compuesto por una estrella normal y una enana blanca. La enana blanca captura material de su compañera y forma una capa de materia a su alrededor; cuando la temperatura es suficiente, se originan las reacciones nucleares y tiene lugar un breve y violento estallido.

Las supernovas, las erupciones más violentas que se conocen, son de dos tipos. Algunas implican la destrucción de una estrella que deja una nube de gas en expansión en cuyo centro puede haber un pulsar, esto es, un residuo minúsculo, de apenas unos cuantos kilómetros de diámetro, compuesto de neutrones. La inmensa "implosión" ha actuado sobre el conjunto de protones y electrones, cancelando sus cargas eléctricas. La densidad de una estrella de neutrones puede llegar a ser de 100 millones de milllones de veces la del agua.
El primer pulsar lo detectó, en noviembre de 1967, Jocelyn Bell, un miembro del equipo de Radioastronomía de Cambridge. El descubrimiento fue fortuito, e incluso hubo un breve período de tiempo durante es cual se pensó que el extraño "tic-tac" en forma de pulsos radio podría ser artificial. sin embargo, ahora se sabe que als emisiones pulsantes son debidas a la rápida rotación de la estrella de neutrones. Hay un campo magnético muy potente; el eje magnético y el de rotación no coinciden y, conforme el pulsar gira, su "haz" barre la Tierra como si fuera un faro.

Los agujeros negros son todavía más extraños que las estrellas de neutrones y parece que se forman a partir de estrellas con una masa aún mayor. Cuando una estrella se colapsa, la gravitación se convierte en el fenómeno relevante; no hay explosión de supernova, y la estrella sigue contrayéndose y haciéndose cada vez más densa hasta que su velocidad de escape llega a se la de la luz, es decir, la gravedad que posee la estrella es tan intensa que la radiación que emite se distorsiona y regresa a ella misma. De hecho, todo el espacio tiempo a su alrrededor se distorsiona. En esta fase, la estrella se rodea de una zona de la que nada - ni siquiera la luz- puede escapar; a todos los efectos está separada del resto de Universo. Éste límite de la "zona sin retorno" se llama horizonte de sucesos.
Por supuesto, es imposible ver un agujero negro, y la única forma de detectarlo es estudiar el efecto que ejerce sobre algún objeto cercano que pueda ser identificado. Antes que el material sea absorbido por el agujero negro se calienta mucho y se peoduce un flujo de radiación de onda corta. Por ejemplo, en el caso de Cygnus X-1, parece que hay un agujero negro asociado con una estrella supergigante, HD 226868. La supergigante(1) expulsa material por medio de un chorro (2) que es absorbido por el agujero negro compañero (3). El agujero negro sólo puede absorber el material con lentitud. Antes de ser absorbido, el material del chorro se calienta y emite rayos X.