Des travaux, dont les résultats ont été publiés dans la revue The Astrophysical Journal, ont permis de confirmer et de préciser, grâce à une simulation numérique d'une galaxie comportant 100 millions de particules, comment se forment et se maintiennent les bras d'une galaxie spirale.

Le scénario explicatif du phénomène a été élaboré dans les années 1960 par les astrophysiciens américains Chia Chiao Lin et Frank Shu en considérant que les bras spiraux sont des ondes de densité: une onde se propage dans le plan galactique, mais plus lentement que la rotation de la matière, de sorte que la matière est concentrée au passage de l'onde, puis revient à sa densité normale une fois l’onde passée. Or, si les observations tendent à confirmer ces hypothèses, du fait de la complexité des équations, il était difficile de reproduire numériquement le phénomène. Cependant, dans les années 1980-90, l’introduction dans les simulations de gaz, qui dissipe l’énergie des ondes, a permis de reproduire la formation de galaxies spirales.

L'étude que nous décrivons, a donc, laissé de côté les galaxies à deux ou trois bras, qui sont engendrés et maintenus par des «barres» ou des galaxies compagnons et s'est intéressée à la formation de bras multiples dans les autres cas. Elle révèle que l'introduction de nuages de gaz géants, représentés dans les simulations par 1000 particules très massives, perturbe le milieu et conduit à la formation de bras. Bien que ces nuages puissent disparaître à cause des effets de dispersion du gaz, en particulier quand le nuage traverse un bras, les calculs montrent que si la durée de vie des nuages dépasse 10 millions d’années, des bras spirauxs peuvent se former.

De plus, le suivi d'un paquet de particules, a fait apparaître clairement que les bras sont bien des ondes de densité. Enfin, après la formation des bras, la structure spirale est conservée même si l'on retire les nuages de gaz géants de la simulation, en raison du fait que le passage des bras crée lui-même des fluctuations de densité, équivalentes aux nuages.