在深入探讨答案之前，重要的是要注意星系的螺旋臂不是固定的、坚固的物体；相反，它们是星系整体形态内明亮的恒星和气体云的图案。螺旋臂之间的空间不是空的，恒星在星系中运行时可以进出螺旋臂。
多伦多大学天文系的雷·卡尔伯格发送了这份描述，介绍了科学家对旋涡星系本质的了解
“星系为什么有螺旋的根本物理原理是已知的，但细节仍然存在争议，有时甚至非常激烈。螺旋仅存在于扁平或‘盘状’星系中。这些星系是差速自转的——也就是说，完成一次完整自转的时间随着距中心距离的增加而增加。差速自转会导致盘中的任何扰动都缠绕成螺旋形。这种简单解释的问题在于，差速自转会导致螺旋特征缠绕得太快，因此星系在任何可观的时间长度内都不会看起来像螺旋形。
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“理解螺旋结构的第二个重要物理原理是，星系盘中的恒星和气体施加了可观的引力。这种力有助于维持螺旋形状，对抗缠绕的趋势。几乎每个人都同意这个基本物理原理。
“那么，为什么盘状星系经常有螺旋形状？有观测证据表明，附近的伴星系或不对称的棒状质量集中可以驱动星系盘中的螺旋波。缺乏这种驱动特征的星盘是难以解释的。一种解释集中在引力系统倾向于增加其中心结合能这一事实上。螺旋臂从星系中心移除角动量，使其达到更高的结合能状态。螺旋理论主要有两种版本：一种是波是稳定的且寿命长的，另一种是螺旋是短暂的特征，来来去去。自然但不太容易的测试是观察螺旋星系数亿年，看看会发生什么。”
瓦萨学院玛丽亚·米切尔天文学教授黛布拉·M·埃尔梅格林和IBM托马斯·J·沃森研究中心的工作人员科学家布鲁斯·G·埃尔梅格林对这个问题进行了广泛的研究。以下是他们的回应
“星系中的大多数螺旋臂都是密度波，密度波是穿过星盘的压缩波（如声音），并在波峰处引起恒星和气体的堆积。波暂时由自身引力维持，但最终会在轨道共振处缠绕或被吸收，轨道共振是指随机恒星振荡周期与局部波周期相同的地方。
“在一些星系中，大的中心核球可以阻止波到达共振；然后波会从核球反射回来，产生一个巨大的驻波螺旋波，具有均匀的旋转速率，寿命可能为5到10个星盘旋转周期（大约10到20亿年）。在所有情况下，恒星和气体围绕星系中心的旋转速度都比星盘内侧的波快，比星盘外侧的波慢。这种差速自转迫使气体以高速进入内侧区域的波中，导致其受到冲击并在每个螺旋臂中形成长而薄的尘埃带。一些密度波星系，如M81，具有高度对称的螺旋臂；另一些，如M101，有多个臂，对称性较差。这两种情况之间的差异与最初形成螺旋臂的扰动的对称性以及驻波模式的相对重要性有关，驻波模式往往是对称的。
“密度波有许多可能的起源。大的中心棒，如在NGC 1300中看到的，可能会在相对较长的时间内驱动双臂密度波，最终导致外盘中的气体向外移动并缠绕成星系盘边缘的巨大环。伴星系也可以通过潮汐力产生双臂螺旋。这种潮汐臂可能只能持续几个旋转周期，然后要么缠绕消失，要么引发寿命更长的驻波。漩涡星系M51具有伴星系触发的螺旋。在可见光下看起来既没有棒状结构也没有伴星系的星系仍然可以有螺旋波。这些星系可能具有隐藏的弱棒状结构或触发螺旋的小伴星系，或者它们可能完全由其星盘内的小不对称性和扰动激发。
“一些星系根本没有长螺旋臂，只有许多短而不对称的臂，如玉夫座星系团星系NGC 7793。这些臂可能根本不是密度波，而是短暂的恒星形成区域，它们被星系的差速自转剪切成螺旋状碎片。这种恒星形成特征的寿命仅与主导其光线的明亮、大质量恒星的寿命一样长——大约一亿年，不到星系一个自转周期。当星盘太稳定而无法维持波，或者当没有可能驱动螺旋臂形成的扰动时，它们显然会形成。”
罗格斯大学研究恒星群动力学的杰里·塞尔伍德对这一研究领域提供了有益的、广泛的概述
“您问题的第一个部分是爱尔兰天文学家罗斯勋爵在1850年看到梅西耶51中引人注目的美丽螺旋图案后提出的。虽然天文学家现在普遍认为大多数明亮星系中的螺旋图案是密度波，但专家们仍然对螺旋臂是如何形成的意见不一。
“密度波是描述星系中恒星在螺旋臂中聚集得更紧密，而在螺旋臂之间分布得更稀疏的一种简略说法。密度变化在星系中传播，很像声波在空气中传播；因此，螺旋臂不仅仅是共轨恒星和气体的集中。
“密度波起源的问题很困难，因为星系中数十亿颗恒星都相互施加引力。正如我们可以在不必计算单个分子运动的情况下理解气体中的压力一样，我们可以将星系视为巨大的‘恒星流体’，但真正的困难源于引力的长程性质。计算机模拟自发地发展出螺旋，证实引力动力学是重要的物理过程，但即使在计算机内部也很难理解这个过程是如何工作的。
“幸运的是，几乎每个人都同意螺旋图案从星系的场中提取引力能量。不可抗拒的引力试图将星系中的恒星拉向中心。引力被恒星的轨道运动（就像石头在绳子上旋转一样）所平衡，这通常阻止它平均更深地沉入星系。螺旋臂是一种催化剂，它可以阻止一些恒星的轨道运动，使其稍微靠近中心。那些受过技术培训的人会意识到，如果一些恒星失去角动量，其他恒星必然会获得相等的角动量，事实上，失去角动量的恒星靠近螺旋臂的内端，而外端的恒星则获得角动量。来自螺旋密度波的引力应力提供了扭矩。
“因此，就像资本主义经济学一样，星系中心附近角动量小的恒星会被夺走一些角动量，并给予那些已经角动量丰富的更远的恒星。此外，这个过程释放能量：稍微靠近中心的恒星位于星系内部的强场中，而星系对那些被推出去的恒星的控制较弱。
“因此，螺旋图案在能量上是有利于发展的，因为它们提供了唯一可能的扭矩，使恒星能够更紧密地束缚在星系内部。究竟是什么拉动什么使螺旋臂发展，即您问题的‘如何’部分，要困难得多。有几种相互竞争的理论，所有这些理论无疑都包含真理的成分，但没有一种理论获得广泛接受。
“在梅西耶51的情况下，大多数专家都同意，小伴星系引起的潮汐可能对其异常规则的图案负有部分责任，但太多星系显示出螺旋臂，以至于不可能全部都是由相互作用引起的。星系中心的棒状结构是可能驱动螺旋的另一个想法，但梅西耶33提供了一个明确的反例，表明棒状结构也不是普遍机制。我个人希望最终的解释将在循环动态不稳定性中找到（旗帜在微风中飘扬是因为循环不稳定性），但这个想法仍然需要更多的工作。”