想想你在夜空中看到过的最壮观的物体。当然，有一大堆的目标可供选择，包括垂死的恒星、超新星残骸、形成恒星的星云和新旧星团，但没有什么能与螺旋星系的美丽相比。这些“岛屿宇宙”包含了数十亿到数万亿颗恒星，它们呈现出自己独特的结构。注意，如果你仔细想想这个结构，会觉得很费解，就像我们的提问者格雷格·罗杰斯所做的:
关于螺旋星系，有一件事一直困扰着我，那就是你只能看到旋臂绕了一半左右。由于外围围绕着核心旋转的速度较慢，我预计人们会看到一些星系的旋臂绕着核心转了很多次。难道宇宙的年龄还不足以让这些缠绕得更紧的螺旋星系形成吗？
图片来源:欧洲航天局/哈勃和美国宇航局。
当你观察任何一个的螺旋星系，它们都展示出相同的表观结构。
从星系中心向外辐射出的螺旋臂数量不定——通常在2到4个之间——它们环绕着星系向外螺旋运动。在20世纪70年代，我们产生了一个奇妙的发现，与我们的预期完全相反，原本认为当你向外移动时，恒星围绕星系的轨道速度不会变慢，就像行星绕着我们的中心恒星转的越远，速度就越慢。相反，另一种说法就是恒星的移动速度保持不变，说明星系的旋转曲线是平面的。
图片来源:维基共享用户斯蒂芬妮娅·德卢卡。
我们测量它的方法是通过观察边缘的螺旋，观察单个恒星相对于它们到银河系中心的距离有多少红移或蓝移。但是即使单个恒星的速度大致是恒定的，一个离中心两倍远的恒星绕一圈需要两倍的时间，而一个十倍远的恒星绕一圈需要十倍的时间。
考虑到这种情况，我们可以做一些计算:对于像我们银河系这样的星系，根据太阳和其他恒星的运动速度，太阳绕银河系运行一周需要大约2.2亿年。我们距离银河系中心大约26,000光年，我们离它的外围还有不到一半的距离。这意味着，对于一个像我们银河系这样大约有120亿年历史的星系来说:外层恒星应该只完成大约25次轨道运行;太阳所在的恒星应该已经完成了大约54个轨道;1万光年内的恒星应该已经完成了100多次轨道运行。
但是，正如我们的星系图像所显示的，它们不会环绕几十次；螺旋臂在大多数情况下甚至一次都不环绕！当我们第一次意识到星系的这种属性时，有一件事是肯定的：这些旋臂不是物质，它们只是一种视觉效果。无论星系是否处于孤立状态，这都是正确的。但如果我们仔细观察，这些星系还提供了另一种暗示。
图片来源:ESO，由EFOSC仪器拍摄，安装在ESO位于智利的La Silla天文台的3.58米新技术望远镜上。
你注意到螺旋臂上布满了“粉红色”的点了吗?每当我们有新星形成的活跃区域时，这些就会出现;粉红色的信号实际上是一个非常精确的波长的发射光的过量：656.3纳米。这种发射光在高温的时候产生，当炽热的新恒星明亮地燃烧，足以电离气态物质，然后当电子与质子重新结合时，新形成的氢原子以特定的频率发光，其中就包括一种可以使这一区域发出粉红色的光。
这向我们表明，这些旋臂实际上是由物质密度高于星系中其他位置的区域构成的，随着时间的推移，恒星可以自由地进出这些旋臂。
解释这一现象的理论自1964年以来一直存在，被称为密度波理论。该理论认为，随着时间的推移，旋臂本身似乎停留在同一地点，就像交通堵塞停留在同一地点一样。即使是个别的物体(旋臂上的恒星; 交通堵塞的汽车) 可以自由移动，在任何时候，堵在“轨道里”中的星星数量都是相同的。这导致稠密程度随着时间的推移而保持稳定。
它背后的物理学原理甚至更简单:不同半径的恒星都会产生我们所习惯的引力，而这些力正是维持螺旋形状的力量。换句话说，如果你从一个气体密度过高的区域开始，并允许你的“圆盘”旋转，你会得到一系列恒星最初形成的一系列区域:原臂。随着时间的推移，星系不断演化，这些旋臂——以及密度过高的区域——仅靠引力的作用得以维持。
值得注意的是，不管在你的星系周围是有一个巨大的光环(下图，右侧)，或者根本没有暗物质(下图，左侧) ，这种理论都同样有效。
图片来源:维基共享用户英戈·伯格，《福布斯》工作人员将其变成了GIF。
尽管你问题的前提是有缺陷的，格雷格，但因为一个星系中的外层恒星和内部恒星的运动速度一样快，所以臂状结构永远不会停止，不管一个星系有多老，这都是由星系本身的物理特性决定的。恒星、气体和尘埃这些物质就像交通堵塞，发现自己在旋臂在任何时候附近都很拥挤, 一旦它们再次移出，它们会发现自己和其他恒星之间的距离很遥远，就像我们今天的太阳一样。
1.维基百科全书
2.天文学名词
3. Ethan Siegel Senior Contributor- J.Smiley
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