Una stella la cui massa, alla fine della combustione dell'idrogeno, sia superiore alle 4-5 masse solari è attesa da un destino differente. La principale differenza tra questa e una stella di piccola massa, la cui evoluzione è stata descritta sopra, è che essa ha un nucleo convettivo; quindi l'intero nucleo si trasforma in elio in modo uniforme. Se esso ha una massa maggiore di un certo limite, detto di Schonberg-Chandrasekhar, collassa rapidamente, mentre gli strati esterni si riaggiustano in modo drastico. L'astro si sposta fuori dalla sequenza principale, muovendosi verso la regione delle supergiganti rosse in modo talmente rapido che, nel diagramma HR, è difficile trovare stelle in questa fase evolutiva. Quando l'idrogeno nel nucleo è esaurito, la sua combustione continua in uno strato esterno al nucleo; quest'ultimo (composto di elio) raggiunge una temperatura sufficiente a innescare la fusione dell'elio in carbonio. Ma anche l'elio del nucleo prima o poi si esaurisce, e la sua combustione inizia in un guscio esterno al nucleo, analogamente a quanto accaduto in precedenza con l'idrogeno.
Osservata dall'esterno la stella si presenta come una variabile pulsante, ad esempio una Cefeide, la cui luminosità varia periodicamente con regolarità. AI suo interno continua un'altalena di reazioni nucleari che coinvolgono elementi chimici sempre più pesanti, e che prosegue tanto più quanto più la stella è massiccia. Il passo finale nel processo delle reazioni nucleari è quello che porta alla formazione del ferro, l'elemento più pesante che una stella possa sintetizzare. Infatti, la formazione, degli elementi chimici seguenti al ferro è endoenergetica, cioè richiede l'apporto di, energia dall'esterno, e quindi non avviene spontaneamente. Una stella che arrivi fino a questo punto ha una struttura “a cipolla” , composta da strati successivi che, dall'interno all'esterno, sono costituiti da elementi progressivamente più leggeri. Il nucleo di ferro si contrae e si riscalda, ma non si produce più energia; la stella esplode come supernova. Ancora una volta, a seconda della massa della stella, il destino finale sarà differente. Può accadere che l'esplosione disintegri un'intera stella, la quale lascia dietro di sé una nebulosa detta resto di supernova; può accadere anche, viceversa, che all'interno del resto di supernova rimanga un residuo stellare. Questo sarà una stella di neutroni o un buco nero.
Una stella di neutroni è un astro composto da materia
degenere che ha perso qualunque caratteristica propria, riducendosi a soli
neutroni. La sua densità è altissima, dell'ordine di
grammi per centimetro cubico, e il suo diametro di poche
decine di chilometri. Benché l'esistenza delle stelle di neutroni sia stata
ipotizzata già negli anni Trenta, soltanto nel 1967 alcuni astronomi
dell'università di Cambridge si imbatterono in un segnale radio di origine
celeste pulsante e regolare, emesso una volta al secondo. Le caratteristiche
di tale segnale fecero pensare che esso fosse addirittura di origine
intelligente; successivamente, però, ci si rese conto che a emetterlo doveva
essere una stella pulsante in rapida rotazione, che prese il nome di pulsar.
La rapidità del segnale implicava che si dovesse trattare di un corpo di
dimensioni alquanto ridotte, quale è appunto una stella di neutroni.
Nel caso si formi un buco nero, la stella è sottoposta a quello che gli astronomi chiamano un “collasso gravitazionale completo”. In un buco nero neppure i neutroni sono in grado di resistere alla pressione esercitata dal peso della stella; ciò che rimane è un oggetto di densità altissima, la velocità di fuga del quale supera quella della luce. Esso perciò è invisibile, e la sua esistenza può essere dedotta solo dall'influenza esercitata sui corpi vicini; i fenomeni che avvengono nelle sue vicinanze (in particolare la distorsione dello spazio-tempo) vanno oltre ciò che è ragionevole secondo il senso comune. Diverse osservazioni hanno portato la comunità scientifica a ritenere che i buchi neri esistano realmente, e di essi esistono numerosi candidati. Inoltre, le indagini hanno mostrato l'esistenza al centro di molte galassie (tra coi, forse, anche la Via Lattea), di oggetti supermassicci, probabilmente enormi buchi neri, di massa pari a milioni di masse solari.