关于宇宙的起源，如今最具有影响力的就是大爆炸宇宙论，约150亿年前，存在体积无限小，密度无限大，温度无限高，时空曲率无限大的奇点，宇宙和一切的一切在大爆炸的一瞬间后才存在。空间、时间，以及一切的物质和能量都来自于奇点，然后在爆炸后渐渐膨胀冷却，导致了几十亿年后分布在数百上千亿光年内的原子、恒星、星系、星系团的诞生，它们构成了我们今天看到的可观测宇宙。
而我们则身处于银河系之中，如果我们仔细观测银河系的模型，会发现银河系存在着明显的螺旋臂，旋臂都在恒星富集之处，主要成员大都是明亮的年轻恒星，以及由之产生的稠密气体——尘埃云，其中有许多电离状态的氢云（即电离氢区），新的恒星以特别高的速率在旋臂处生成。为什么银河系会存在螺旋臂呢？
银河系是地球和太阳所属的星系。因其主体部分投影在天球上的亮带被我国称为银河而得名。银河系的发现经历了漫长的过程。
望远镜发明后，伽利略首先用望远镜观测银河，发现银河由恒星组成。而后，T.赖特、I.康德、J.H.朗伯等认为，银河和全部恒星可能集合成一个巨大的恒星系统。
18世纪后期，F.W.赫歇尔用自制的反射望远镜开始恒星计数的观测，以确定恒星系统的结构和大小，他断言恒星系统呈扁盘状，太阳离盘中心不远。
他去世后，其子J.F.赫歇尔继承父业，继续进行深入研究，把恒星计数的工作扩展到南天。20世纪初，天文学家把以银河为表观现象的恒星系统称为银河系。J.C.卡普坦应用统计视差的方法测定恒星的平均距离，结合恒星计数，得出了一个银河系模型。
在这个模型里，太阳居中，银河系呈圆盘状，直径8千秒差距，厚2千秒差距。H.沙普利应用造父变星的周光关系，测定球状星团的距离，从球状星团的分布来研究银河系的结构和大小。他提出的模型是：银河系是一个透镜状的恒星系统，太阳不在中心。
沙普利得出，银河系直径80千秒差距，太阳离银心20千秒差距。这些数值太大，因为沙普利在计算距离时未计入星际消光。20世纪20年代，银河系自转被发现以后，沙普利的银河系模型得到公认。
银河系平面图
后来，哈勃观测了许多星系后，试图依照形态加以分类。他在1926年提出第一种分类法后，一再修正，现代星系的分类最终确定。
目前科学家可以粗略地将星系划分出椭圆星系、透镜星系、漩涡星系、棒旋星系和不规则星系等五种。
过去银河系被认为与仙女座星系一样是一个旋涡星系。但从80年代开始，天文学家怀疑银河系是一个棒旋星系而不是一个普通的旋涡星系。2005年，斯必泽空间望远镜证实了这项怀疑，还确认了在银河核心的棒状结构比预期的还大。
棒旋星系核心有明亮的恒星涌出聚集成短棒，并横越过星系的中心。简单来说，棒旋星系可以清楚看出几条主要旋臂，而旋涡星系则没有明显的旋臂，更像一个旋涡。
而最新研究发现银河系可能只有两条主要旋臂——人马座旋臂和矩尺座旋臂，其绝大部分是气体，只有少量恒星点缀其中。
太阳系所在的猎户座旋臂不是一个主要的旋臂，而是人马座和英仙座之间恒星和气体的增强。应该强调的是，旋臂之间的恒星数量几乎与旋臂中的恒星数量相同。螺旋星系的旋臂之所以如此“明显”，是因为在旋臂中发现了最亮的恒星。旋臂是旋涡星系中恒星形成的主要区域，这是发现大多数主要星云的地方。
银河系物质的主要部分组成一个薄薄的圆盘，叫做银盘。银盘中心隆起的近似于球形的部分叫做核球，在核球区域恒星高度密集。核球中心有一个很小的致密区，叫做银核。银盘外面是一个范围更大，近于球形的区域，其中物质密度比银盘中低得多，叫做银晕。银晕外面还有 银冕 ，它的物质分布大致也呈球形。
对银河系螺旋结果的观测主要有两种方法。
第一种方法是研究星系平面上的中性氢（HI）密度，因为它在旋臂中得到增强。1958年，简·奥尔特、弗兰克·克尔和加特·韦斯特霍特首次尝试了这种方法。他们利用荷兰和澳大利亚的射电望远镜研究了作为螺旋星云的银河系。早期版本的地图（左侧不完整）显示了螺旋臂的不同部分。
第二种方法是绘制通常在旋臂中形成的巨大HII区域（电离氢的明亮星云）。这是1976年伊冯和伊冯·乔治林的尝试。他们研究了由H-II区域确定的我们星系的螺旋结构。他们的地图使他们能够确定旋臂的位置。
银河系螺旋臂曾经让科学家十分迷惑不解，银河系的螺旋臂究竟是怎么样产生的，它们为什么不会越缠越紧，最终完全缠绕在一起，最终使旋臂消失殆尽，银河系究竟是维持住这样的结构的，这些问题曾经困扰了很多的科学家。现在普遍被接受的理论是密度波理论。
20 世纪四十年代，天文学家林德布拉德看见一群海鸥掠过水面，激起了无数涟漪。灵光一闪，由此，星系旋臂结构形成的著名假说——“密度波理论”就诞生了。
林德布拉德提出如果把星系比作流体而不是刚体，把星系里的无数恒星比作旋涡运动的水分子，那旋臂结构可以看成是种流体波，即密度波或压缩波。旋臂并非刚性的物质臂，而是由于路经这些区域的恒星和星际气体以及尘埃因引力作用而密集，密度加大而速度减慢，过了旋臂则因密度减小而加快了速度。旋臂中的“居民”不是一成不变的，而是川流不息的。
其中密度波是指使旋涡星系宏观图像保持准稳状态的物质密度和速度的波动。
当时林家翘对于林德布拉德的密度波理论表示认同，凭借着自己在数学上深厚的功底，林家翘经过艰苦的计算，他建立了螺旋密度波理论。按照该理论，旋臂是恒星、尘埃等天体绕星系中心运动时空间分布较密集的区域，两个旋臂之间较暗的部分，则只有较少的天体。组成旋臂的天体并非始终处于旋臂中，而是有进有出。换句话说，人们看到的旋臂，是密布其中的恒星发出的光，而非星系长出的“肢体”。
林家翘在讲解螺旋密度波理论
林家翘指出旋涡结构并不是永远由同一批物质组成。它实质上是物质集中处低引力势区的波动状图案。恒星并不是永远停留在旋臂上。恒星按照近于圆形的轨道绕星系中心旋转。在运动过程中，恒星将进入，然后再走出旋臂。恒星进入旋臂后由于旋臂区恒星密集和引力场强而减慢速度。但另一方面，速度的减慢又使恒星挤在一起 ，密度增大，引力场加强 ，因此，一旦出现了旋臂图案，这种图案将自行维持。
换句话说，旋臂由密度波波峰的迹线构成。波形图案并不与物质相联，而是以不同的角速度运动。相对运动速度平均约30千米/秒。正是这种运动维持了旋涡星系的规整外貌，也解决了固定物质旋臂因较差自转带来的缠绕困难。
准稳态密度波理论预言的年老恒星旋臂和气体旋臂的位置偏移
而恒星进入旋臂引力势阱后，在那里停留一段时间再随轨道运动出来。星际气体在进入悬臂时受到突然压缩，可能触发恒星形成，林家翘的密度波理论成功地解释了明亮年轻恒星集中分布在悬臂上的现象。
简而言之，从银河系中心向外引力场就像波纹一样，从而产生出旋臂结构。我们看到的螺旋状的旋臂，是密度波，而不是真的旋臂。只是因为那里的恒星比较多而已，但是组成旋臂的恒星是不断变化的，恒星不断地进出旋臂，但总是保持了在一定空间区域上的密度比较多的样子。而这就形成了我们看到螺旋状结构。
林家翘还建立了密度波理论模型，通过将数值带入模型，银河系的螺旋臂都能与理论模型相吻合。
我们刚刚说太阳系所在的猎户座旋臂不是一个主要的旋臂，而是人马座和英仙座之间恒星和气体的增强。就是林家翘所提出的。
猎户座星轨
当时大家都认为猎户座是银河系的主旋臂，所以当时著名天文学家袁旗算出了一个数值，然而将这个数值代入理论模型后，银河系的猎户臂始终无法与理论模型吻合。
林家翘则提出，猎户臂不是银河系的主旋臂，而是一个枝节，因此不完全适用于模型。林家翘的言论打破了当时天文学界的固有印象，但是后来经过仔细观测，林家翘的言论得到了证实，如今，这一论断已被天文学界广泛接受。
如今密度波理论已经成为天文学中解释部分旋涡星系旋臂产生的公认理论。而随着对宇宙认知的不断加深，还会有更多的问题在等着我们去揭开谜底。
