在深入探討答案之前，重要的是要注意星系的螺旋臂不是固定的、堅固的物體；相反，它們是星系整體形態內明亮的恆星和氣體雲的圖案。螺旋臂之間的空間不是空的，恆星在星系中執行時可以進出螺旋臂。
多倫多大學天文系的雷·卡爾伯格傳送了這份描述，介紹了科學家對旋渦星系本質的瞭解
“星系為什麼有螺旋的根本物理原理是已知的，但細節仍然存在爭議，有時甚至非常激烈。螺旋僅存在於扁平或‘盤狀’星系中。這些星系是差速自轉的——也就是說，完成一次完整自轉的時間隨著距中心距離的增加而增加。差速自轉會導致盤中的任何擾動都纏繞成螺旋形。這種簡單解釋的問題在於，差速自轉會導致螺旋特徵纏繞得太快，因此星系在任何可觀的時間長度內都不會看起來像螺旋形。
支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
“理解螺旋結構的第二個重要物理原理是，星系盤中的恆星和氣體施加了可觀的引力。這種力有助於維持螺旋形狀，對抗纏繞的趨勢。幾乎每個人都同意這個基本物理原理。
“那麼，為什麼盤狀星系經常有螺旋形狀？有觀測證據表明，附近的伴星系或不對稱的棒狀質量集中可以驅動星系盤中的螺旋波。缺乏這種驅動特徵的星盤是難以解釋的。一種解釋集中在引力系統傾向於增加其中心結合能這一事實上。螺旋臂從星系中心移除角動量，使其達到更高的結合能狀態。螺旋理論主要有兩種版本：一種是波是穩定的且壽命長的，另一種是螺旋是短暫的特徵，來來去去。自然但不太容易的測試是觀察螺旋星系數億年，看看會發生什麼。”
瓦薩學院瑪麗亞·米切爾天文學教授黛布拉·M·埃爾梅格林和IBM托馬斯·J·沃森研究中心的工作人員科學家布魯斯·G·埃爾梅格林對這個問題進行了廣泛的研究。以下是他們的回應
“星系中的大多數螺旋臂都是密度波，密度波是穿過星盤的壓縮波（如聲音），並在波峰處引起恆星和氣體的堆積。波暫時由自身引力維持，但最終會在軌道共振處纏繞或被吸收，軌道共振是指隨機恆星振盪週期與區域性波週期相同的地方。
“在一些星系中，大的中心核球可以阻止波到達共振；然後波會從核球反射回來，產生一個巨大的駐波螺旋波，具有均勻的旋轉速率，壽命可能為5到10個星盤旋轉週期（大約10到20億年）。在所有情況下，恆星和氣體圍繞星系中心的旋轉速度都比星盤內側的波快，比星盤外側的波慢。這種差速自轉迫使氣體以高速進入內側區域的波中，導致其受到衝擊並在每個螺旋臂中形成長而薄的塵埃帶。一些密度波星系，如M81，具有高度對稱的螺旋臂；另一些，如M101，有多個臂，對稱性較差。這兩種情況之間的差異與最初形成螺旋臂的擾動的對稱性以及駐波模式的相對重要性有關，駐波模式往往是對稱的。
“密度波有許多可能的起源。大的中心棒，如在NGC 1300中看到的，可能會在相對較長的時間內驅動雙臂密度波，最終導致外盤中的氣體向外移動並纏繞成星系盤邊緣的巨大環。伴星系也可以透過潮汐力產生雙臂螺旋。這種潮汐臂可能只能持續幾個旋轉週期，然後要麼纏繞消失，要麼引發壽命更長的駐波。漩渦星系M51具有伴星系觸發的螺旋。在可見光下看起來既沒有棒狀結構也沒有伴星系的星系仍然可以有螺旋波。這些星系可能具有隱藏的弱棒狀結構或觸發螺旋的小伴星系，或者它們可能完全由其星盤內的小不對稱性和擾動激發。
“一些星系根本沒有長螺旋臂，只有許多短而不對稱的臂，如玉夫座星系團星系NGC 7793。這些臂可能根本不是密度波，而是短暫的恆星形成區域，它們被星系的差速自轉剪下成螺旋狀碎片。這種恆星形成特徵的壽命僅與主導其光線的明亮、大質量恆星的壽命一樣長——大約一億年，不到星系一個自轉週期。當星盤太穩定而無法維持波，或者當沒有可能驅動螺旋臂形成的擾動時，它們顯然會形成。”
羅格斯大學研究恆星群動力學的傑裡·塞爾伍德對這一研究領域提供了有益的、廣泛的概述
“您問題的第一個部分是愛爾蘭天文學家羅斯勳爵在1850年看到梅西耶51中引人注目的美麗螺旋圖案後提出的。雖然天文學家現在普遍認為大多數明亮星系中的螺旋圖案是密度波，但專家們仍然對螺旋臂是如何形成的意見不一。
“密度波是描述星系中恆星在螺旋臂中聚集得更緊密，而在螺旋臂之間分佈得更稀疏的一種簡略說法。密度變化在星系中傳播，很像聲波在空氣中傳播；因此，螺旋臂不僅僅是共軌恆星和氣體的集中。
“密度波起源的問題很困難，因為星系中數十億顆恆星都相互施加引力。正如我們可以在不必計算單個分子運動的情況下理解氣體中的壓力一樣，我們可以將星系視為巨大的‘恆星流體’，但真正的困難源於引力的長程性質。計算機模擬自發地發展出螺旋，證實引力動力學是重要的物理過程，但即使在計算機內部也很難理解這個過程是如何工作的。
“幸運的是，幾乎每個人都同意螺旋圖案從星系的場中提取引力能量。不可抗拒的引力試圖將星系中的恆星拉向中心。引力被恆星的軌道運動（就像石頭在繩子上旋轉一樣）所平衡，這通常阻止它平均更深地沉入星系。螺旋臂是一種催化劑，它可以阻止一些恆星的軌道運動，使其稍微靠近中心。那些受過技術培訓的人會意識到，如果一些恆星失去角動量，其他恆星必然會獲得相等的角動量，事實上，失去角動量的恆星靠近螺旋臂的內端，而外端的恆星則獲得角動量。來自螺旋密度波的引力應力提供了扭矩。
“因此，就像資本主義經濟學一樣，星系中心附近角動量小的恆星會被奪走一些角動量，並給予那些已經角動量豐富的更遠的恆星。此外，這個過程釋放能量：稍微靠近中心的恆星位於星系內部的強場中，而星系對那些被推出去的恆星的控制較弱。
“因此，螺旋圖案在能量上是有利於發展的，因為它們提供了唯一可能的扭矩，使恆星能夠更緊密地束縛在星系內部。究竟是什麼拉動什麼使螺旋臂發展，即您問題的‘如何’部分，要困難得多。有幾種相互競爭的理論，所有這些理論無疑都包含真理的成分，但沒有一種理論獲得廣泛接受。
“在梅西耶51的情況下，大多數專家都同意，小伴星系引起的潮汐可能對其異常規則的圖案負有部分責任，但太多星系顯示出螺旋臂，以至於不可能全部都是由相互作用引起的。星系中心的棒狀結構是可能驅動螺旋的另一個想法，但梅西耶33提供了一個明確的反例，表明棒狀結構也不是普遍機制。我個人希望最終的解釋將在迴圈動態不穩定性中找到（旗幟在微風中飄揚是因為迴圈不穩定性），但這個想法仍然需要更多的工作。”