Несмотря на природу и возраст, все галактики в видимой части космоса закручены в спираль — и тому есть причины.
Спиральные рукава в галактиках могут образовываться в результате комбинации процессов. В спиральной галактике все вращается с одинаковой скоростью, а это означает, что звезды и газ вблизи центра галактики совершают оборот по орбите за меньшее время, чем объекты, расположенные дальше. Этот эффект называется дифференциальным вращением. Таким образом, за время, необходимое внутренней звезде для совершения одного оборота вокруг своей галактики, внешняя звезда могла совершить лишь половину оборота.
Дифференциальное вращение естественным образом порождает спирали по мере вращения галактики. Галактики, подобные Млечному Пути, вращались несколько десятков раз — обычно для завершения оборота всей галактике требуется 200 миллионов лет. Если бы дифференциальное вращение было единственным процессом, участвующим в создании спиралей, мы бы ожидали увидеть множество плотно закрученных спиральных рукавов, что-то сродни намотанной катушке. Но у большинства спиральных галактик всего от двух до четырех главных рукавов.
Спиральные рукава демонстрируют одну и ту же структуру независимо от того, состоят ли они из звезд возрастом миллиарды или миллионы лет. Это указывает на то, что рукава являются результатом постоянной структуры звезд, а не конкретных светил, формирующих структуры.
Сам же узор вызван волной давления (т.н. «плотности»), которая движется по спирали от края диска к центру и обратно, создавая видимые спиральные рукава галактики. По сути, когда звезды и газ движутся по узору, они собираются в гребнях волн, подобно пробке на магистрали, а затем, в конце концов, преодолевают гребень и продолжают двигаться по своей орбите.
И планетарные кольца, и протопланетные диски могут иметь волны плотности и спиральную структуру. Планетарные кольца состоят из небольшого количества мусора, попавшего на определенную орбиту. Иногда их беспокоят луны, вызывающие волны. Согласно компьютерному моделированию, наблюдаемые спирали в протозвездных дисках возникают из-за волн плотности, создаваемых планетами, образующимися в диске.