Το κομψό σπειροειδές σχήμα των γαλαξιών είναι ένα από τα κλασικά και ομορφότερα αστρονομικά θεάματα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ο γαλαξίας Messier 51 (Μεσιέ 51), που μοιάζει τόσο πολύ με τεράστιο κυκλώνα, που αρχικά του δόθηκε το όνομα «ρουφήχτρα». Τα φωτεινότερα άστρα αυτού του γαλαξία είναι περιορισμένα σαν μαργαριτάρια πάνω σε ένα κουλουριασμένο κολιέ. Τις περιοχές ανάμεσα στα «πλοκάμια» του διατρέχουν σκοτεινές ζώνες σκόνης, που προδίδουν την παρουσία των διαστρικών αερίων από τα οποία γεννιούνται τα αστέρια.

Στον Messier 51, όπως και σε πολλούς άλλους γαλαξίες, το σπειροειδές σχήμα αγκυρώνεται από έναν εσωτερικό δακτύλιο αστέρων, αλλά στους περισσότερους σπειροειδείς γαλαξίες, η σπείρα αρχίζει από μια ράβδο, δηλαδή ένα μακρύ ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο γεμάτο άστρα. Ενας γαλαξίας με ράβδο μοιάζει με ένα περιστρεφόμενο ποτιστήρι γρασιδιού, όπου το νερό ρέει μέσα από έναν ευθύγραμμο σωλήνα και ξεπηδά σε ορθή γωνία από τα δύο άκρα, για να καμπυλώσει μετά στη διαδρομή του προς τα έξω.

Οι περισσότεροι άνθρωποι, που έχουν διδαχτεί κοσμολογία, θεωρούν το γαλαξία μας σαν έναν καθαρό σπειροειδή, αλλά οι αστρονόμοι γνωρίζουν τώρα ότι στην πραγματικότητα είναι ένας σπειροειδής γαλαξίας με ράβδο. Οι αποδείξεις, στην αρχή έμμεσες, άρχισαν να συγκεντρώνονται το 1975: Τα αστέρια και τα αέρια που βρίσκονται στον πυρήνα του Γαλαξία δεν ακολουθούν τις διαδρομές που θα έπρεπε να ακολουθούν, αν οι σπείρες άρχιζαν από το κέντρο του. Πρόσφατες αστρονομικές χαρτογραφήσεις στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα, που διαπερνά τα νέφη σκόνης, που περιορίζουν την ορατότητα του γαλαξιακού πυρήνα, αποκάλυψαν τη ράβδο με άμεσο τρόπο, διαλύοντας τις τελευταίες αμφιβολίες.

Οι ράβδοι και οι σπείρες μπορεί να φαίνονται σαν μόνιμα χαρακτηριστικά, αλλά στην πραγματικότητα είναι δυναμικά σχέδια, κύματα που σαρώνουν το δίσκο αστέρων, σκόνης και αερίων των σπειροειδών γαλαξιών και συχνά αναδιατάσσουν βίαια το υλικό αυτό. Τα κύματα αυτά είναι μια πλευρά ενός ευρύτερου προβληματισμού στην αστρονομία την τελευταία δεκαετία: Της συνειδητοποίησης ότι φαινομενικά αμετάβλητες ιδιότητες των γαλαξιών, όπως το σχήμα τους, αλλάζουν εντυπωσιακά με το πέρασμα του χρόνου.

Η πιο γνωστή διαδικασία αλλαγής μορφής των γαλαξιών είναι ο γαλαξιακός κανιβαλισμός, δηλαδή η συνένωση ενός γαλαξία με κάποιον γειτονικό του. Η διαδικασία αυτή μπορεί να μετατρέψει έναν σπειροειδή γαλαξία σε έναν αρκετά άμορφο, ελλειπτικό γαλαξία. Τώρα, όμως, οι επιστήμονες αντιλαμβάνονται ότι οι εσωτερικοί μηχανισμοί διάδοσης κυμάτων μπορεί να είναι πολύ πιο σημαντικοί για το παρατηρούμενο σχήμα των γαλαξιών.

Τα άστρα δεν περιστρέφονται γύρω από το κέντρο των γαλαξιών ούτε σαν να βρίσκονταν πάνω σε νήματα, ούτε συγχρονισμένα το ένα με τ' άλλο. Στο γαλαξία μας, τα πιο εσωτερικά αστέρια έχουν κάνει χιλιάδες περιφορές τα τελευταία 5 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ ο Ηλιος, που βρίσκεται στο μέσο μιας από τις σπείρες, έχει κάνει μόλις 20 περιφορές. Η διαφορά στις γωνιακές ταχύτητες είναι ο λόγος που οι ράβδοι, αλλά και οι σπείρες δεν μπορούν να είναι σταθερές δομές. Αν ήταν θα «τυλίγονταν» γρήγορα όπως ένα σκοινί τυλίγεται γύρω από ένα βαρούλκο.

Το ερώτημα, τι είναι εκείνο που διατηρεί αυτούς τους σχηματισμούς απαντήθηκε κατά ένα μέρος τη δεκαετία του 1960, με τη θεωρία των κυμάτων πυκνότητας, σύμφωνα με την οποία οι ράβδοι και οι σπείρες είναι κύματα πλεονάζουσας πυκνότητας, όπου τα άστρα συνωστίζονται προσωρινά σε μια κοσμικής κλίμακας «κυκλοφοριακή συμφόρηση». Τα αστέρια μπαίνουν και βγαίνουν από το κύμα όπως τα αυτοκίνητα κολλάνε ή ξεφεύγουν από ένα μπλοκάρισμα.

Το κύμα σχετίζεται με το συγχρονισμό των αστρικών τροχιών. Η τροχιά ενός αστέρα μέσα σε ένα γαλαξία δε μοιάζει με την τροχιά ενός πλανήτη σε ένα ηλιακό σύστημα, ή ενός δορυφόρου γύρω από τη Γη, επειδή ο γαλαξίας δεν κυριαρχείται από ένα μοναδικό κεντρικό σώμα. Αν και θεωρείται ότι οι περισσότεροι γαλαξίες έχουν μια μαύρη τρύπα στο κέντρο τους, η μάζα της αποτελεί μικρό μέρος της συνολικής μάζας του γαλαξία. Το μεγαλύτερο μέρος της είναι απλωμένο στο γαλαξιακό δίσκο, αναγκάζοντας τα αστέρια να ακολουθούν ελλειπτικές τροχιές που δεν κλείνουν, αλλά μετατοπίζονται κάθε φορά που το αστέρι κάνει μια περιφορά. Ο Ηλιος, για παράδειγμα, χρειάζεται 230 εκατομμύρια χρόνια, για να κάνει μια περιφορά γύρω από το γαλαξιακό κέντρο. Στο διάστημα αυτό, η τροχιά του παθαίνει γωνιακή μετάθεση 105 μοιρών. Ετσι, η ελλειπτική τροχιά του Ηλιου κάνει μια πλήρη περιστροφή περίπου κάθε 790 εκατομμύρια χρόνια.

Οταν οι ελλειπτικές τροχιές των αστέρων περιστρέφονται με πολύ διαφορετικές ταχύτητες, ο γαλαξίας δεν έχει κάποια κυματική δομή. Τα αστέρια τυχαία περνάνε κοντά το ένα από το άλλο, αλλά γρήγορα απομακρύνονται και πάλι, όπως πολλές φορές συμβαίνει και με τα αυτοκίνητα ακόμα και σε λεωφόρους που δεν εμφανίζουν μποτιλιάρισμα. Το κύμα εμφανίζεται όταν πολλές ή όλες οι ελλείψεις περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Σε ένα κύμα ράβδου, οι ελλείψεις είναι συγχρονισμένες, δημιουργώντας μια περιοχή αυξημένης πυκνότητας, κατά μήκος του μεγάλου άξονα. Σε ένα κύμα σπείρας, οι τροχιές αποσυντονίζονται προοδευτικά, έτσι που η περιοχή μέγιστης πυκνότητας να είναι μια καμπύλη γραμμή.

Με δυο λόγια, οι αστρικές τροχιές μπορούν να κινούνται συγχρονισμένα, ακόμα και αν τα αντίστοιχα άστρα κινούνται ασυγχρόνιστα. Τι κάνει τις ελλείψεις να συγχρονιστούν; Είναι μια αυθόρμητη βαρυτική αστάθεια. Επειδή η βαρύτητα στα συστήματα αυτά δεν είναι μια σταθερή εξωτερική δύναμη, αλλά αποτέλεσμα των ίδιων των άστρων, τα κύματα μπορεί να αυτοενισχύονται. Η διαδικασία αρχίζει όταν κάποιες αστρικές τροχιές συγχρονιστούν τυχαία. Ενισχυμένη από την εγγύτητα, η βαρύτητα των άστρων αυτών τροποποιεί την ταχύτητα των ελλείψεων. Οι πιο γρήγορες επιβραδύνονται και οι πιο αργές επιταχύνονται, με αποτέλεσμα τελικά να συγχρονιστούν. Οταν ένα άστρο μπει στο κύμα, η βαρύτητα το «κλειδώνει», αλλά μόνο προσωρινά.

Μελετώντας και άλλους ανάλογους παράγοντες, οι επιστήμονες συμπέραναν ότι σπειροειδείς γαλαξίες χωρίς ράβδο μετατρέπονται σε σπειροειδείς με ράβδο και πάλι στην προηγούμενη μορφή τους σε μια αέναη μεταβολή, που δε δίνει ποτέ ακριβώς ίδιο σχήμα και έχει φυσικά τελείως διαφορετική λεπτομερή δομή.