<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="review-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Astron. Space Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Astronomy and Space Sciences</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Astron. Space Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-987X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1538434</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fspas.2025.1538434</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Astronomy and Space Sciences</subject>
<subj-group>
<subject>Review</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A review of basic results on the Bose&#x2013;Einstein condensate dark matter model</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Chavanis</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fspas.2025.1538434">10.3389/fspas.2025.1538434</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>Pierre-Henri</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1320910/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Laboratoire de Physique Th&#xe9;orique</institution>, <institution>CNRS</institution>, <institution>UPS</institution>, <institution>Universit&#xe9; de Toulouse</institution>, <addr-line>Toulouse</addr-line>, <country>France</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP)</institution>, <institution>University of California Santa Barbara</institution>, <addr-line>Santa Barbara</addr-line>, <addr-line>CA</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1927920/overview">Tonatiuh Matos</ext-link>, Center for Research and Advanced Studies, National Polytechnic Institute of Mexico (CINVESTAV), Mexico</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/391663/overview">Izzet Sakalli</ext-link>, Eastern Mediterranean University, T&#xfc;rkiye</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2390362/overview">Dario Bettoni</ext-link>, University of Le&#xf3;n, Spain</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Pierre-Henri Chavanis, <email>chavanis@irsamc.ups-tlse.fr</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>20</day>
<month>08</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>12</volume>
<elocation-id>1538434</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>02</day>
<month>12</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>06</day>
<month>02</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 Chavanis.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Chavanis</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>We review basic results on the Bose&#x2013;Einstein condensate dark matter (BECDM) model. Self-gravitating BECs experience a collisionless process of gravitational cooling and violent relaxation, leading to BECDM halos with a &#x201c;core-envelope&#x201d; structure. The quantum core (soliton), which is the ground state of the Gross&#x2013;Pitaevskii&#x2013;Poisson (GPP) equations, may solve the core&#x2013;cusp problem of the cold dark matter (CDM) model. The approximately isothermal envelope, resulting from the quantum interferences of the excited states, is similar to the Navarro&#x2013;Frenk&#x2013;White (NFW) profile of CDM halos and accounts for the flat rotation curves of the galaxies. We derive the core mass&#x2013;radius relation, the halo mass&#x2013;radius relation, and the core mass&#x2013;halo mass relation of BECDM halos. We show that the core mass increases with the halo mass and we discuss the possibility that it collapses above a maximum mass arising from general relativity or from the attractive self-interaction of the bosons. We discuss the secular evolution of BECDM halos induced by the formation of granules (or quasiparticles) in the envelope, and we mention the analogy with the evolution of globular clusters. We also discuss the basic elements of BECDM cosmology. Throughout this review, we emphasize the importance of the maximum mass of dilute axion stars with an attractive self-interaction [P.H. Chavanis, Phys. Rev. D 84, 043531 (2011)] and its consequences.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>self-gravitating systems</kwd>
<kwd>Bose&#x2013;Einstein condensates</kwd>
<kwd>scalar field</kwd>
<kwd>dark matter</kwd>
<kwd>axion stars</kwd>
<kwd>Klein&#x2013;Gordon&#x2013;Einstein equations</kwd>
<kwd>Schr&#xf6;dinger&#x2013;Poisson equations</kwd>
<kwd>Gross&#x2013;Pitaevskii&#x2013;Poisson equations</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Cosmology</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Even after 100 years of research, the nature of dark matter (DM) remains elusive. The cold dark matter (&#x039B;CDM) model works extremely well at large (cosmological) scales and can account for precise measurements of the cosmic microwave background (CMB) from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) (<xref ref-type="bibr" rid="B176">Hinshaw et al., 2009</xref>) and Planck missions (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Ade et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Ade et al., 2016</xref>). However, in addition to the lack of evidence for any CDM particle such as a weakly interacting massive particle (WIMP) with a mass in the GeV&#x2013;TeV range, the CDM model faces serious problems at small (galactic) scales.</p>
<p>One of these problems is the &#x201c;core-cusp problem&#x201d; (<xref ref-type="bibr" rid="B231">Moore et al., 1999</xref>). Classical <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-body numerical simulations (<xref ref-type="bibr" rid="B233">Navarro et al., 1996</xref>) lead to DM halos with a universal density profile called the Navarro&#x2013;Frenk&#x2013;White (NFW) profile. The density decreases at large distances as <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and presents a <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cusp at the center. On the other hand, the results of observations can be fitted by the empirical Burkert profile (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Burkert, 1995</xref>). The density also decreases at large distances as <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> but, contrary to the NFW profile, it presents a core at the center. Therefore, the observations favor a core with an approximately constant density instead of a cusp.</p>
<p>Another problem is the &#x201c;missing satellites problem&#x201d; (<xref ref-type="bibr" rid="B188">Kauffmann et al., 1993</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B194">Klypin et al., 1999</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B186">Kamionkowski and Liddle, 2000</xref>). For a cold classical gas, the Jeans length vanishes or is extremely small <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, implying that structures can form at all scales as a result of gravitational collapse. However, observations reveal that, contrary to the prediction of the CDM model, there are no halos below a certain scale. These ultracompact dark matter (UDM) halos correspond typically to dwarf spheroidal galaxies (dSphs) like Fornax. To be specific, we shall assume that Fornax is the smallest halo observed in the universe. We will call it the &#x201c;minimum halo&#x201d; and take<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>for its characteristic mass and characteristic radius (this corresponds to a typical density <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a typical surface density <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). These values can certainly be refined, but they will be sufficient (and practical) for our purposes.</p>
<p>The &#x201c;small-scale crisis of CDM&#x201d; (<xref ref-type="bibr" rid="B42">Bullock and Boylan-Kolchin, 2017</xref>) is somehow related to the assumption that DM is pressureless. A first possibility to solve the CDM crisis is to take into account the feedback of the baryons that can transform cusps into cores (<xref ref-type="bibr" rid="B261">Romano-D&#xed;az et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B253">Pontzen and Governato, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B239">O&#xf1;orbe et al., 2015</xref>). Another possibility is to consider self-interacting dark matter (SIDM) (<xref ref-type="bibr" rid="B280">Spergel and Steinhardt, 2000</xref>) or warm dark matter (WDM) (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Bode et al., 2001</xref>), where a pressure arises as a result of particle dispersion. In that case, we have to deal with a gas at nonzero temperature <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The Jeans length is increased, possibly solving the missing satellite problem. On the other hand, SIDM and WDM halos present an isothermal core, possibly solving the core&#x2013;cusp problem. The problems of the CDM model may also be solved by taking into account the quantum (or wave) nature of the DM particle. Indeed, in quantum mechanics, an effective pressure is present even at zero temperature <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This quantum pressure may balance the gravitational attraction at small scales and solve the CDM crisis.</p>
<p>Some authors have considered the case where the DM particle is a fermion, like a massive sterile neutrino. In this model, gravitational collapse is prevented by the quantum pressure arising from the Pauli exclusion principle. Other authors have considered the case where the DM particle is a boson like the QCD axion<xref ref-type="fn" rid="fn1">
<sup>1</sup>
</xref> or like an ultralight axion (ULA) or an axion-like particle (ALP) predicted by string theory. In this model, gravitational collapse is prevented by the quantum pressure arising from the Heisenberg uncertainty principle or by the scattering of the bosons when their self-interaction is repulsive. In these quantum (fermionic and bosonic) models, the minimum halo is interpreted as the ground state of the self-gravitating quantum gas at <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As we shall see, this constraint determines the typical characteristics of the DM particle.</p>
<p>We shall not review the literature on fermionic and bosonic DM in detail here because this literature is extensive, and this review has already been done in our previous contributions where we cite numerous references. A short history of fermionic DM can be found in the introductions of <xref ref-type="bibr" rid="B70">Chavanis (2006)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al. (2015a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B65">Chavanis et al. (2015b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B97">Chavanis (2020d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">Alberti and Chavanis (2020b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B111">Chavanis (2023d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref> and a short history of bosonic DM can be found in the introductions of <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis (2016a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis (2020c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>. It is fascinating to note that the basic equations governing self-gravitating Fermi and Bose gases have been used to describe not only astrophysical objects (white dwarfs, neutron stars, fermion stars, boson stars, axion stars, and DM halos) but also extended elementary particles with an effective gravity accounting, for example, for the strong interaction (see the discussion in the introduction of <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>). To some extent, the two communities working on these similar equations do not know each other.</p>
<p>In this paper, we focus on bosonic DM. At <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, bosons form Bose&#x2013;Einstein condensates (BECs), and they are described by a single wavefunction <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> called the condensate wavefunction.<xref ref-type="fn" rid="fn2">
<sup>2</sup>
</xref> This wavefunction can be interpreted as a scalar field (SF). Due to the very large occupation number, the SF can be treated as a classical field. The bosons may be noninteracting, or they may have a repulsive or an attractive self-interaction (for example, the QCD axion has an attractive self-interaction). On astrophysical scales, one must generally take into account gravitational interactions between the bosons. The evolution of the wave function of self-gravitating BECs is then governed by the Schr&#xf6;dinger&#x2013;Poisson (SP) equations when the bosons are noninteracting (<xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B224">Membrado et al., 1989b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B300">Widrow and Kaiser, 1993</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B277">Sin, 1994</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B184">Ji and Sin, 1994</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B177">Hu et al., 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B168">Guzm&#xe1;n and Ure&#xf1;a-L&#xf3;pez, 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B275">Sikivie and Yang, 2009</xref>) or by the Gross&#x2013;Pitaevskii&#x2013;Poisson (GPP) equations when the bosons are self-interacting (<xref ref-type="bibr" rid="B169">Guzm&#xe1;n and Ure&#xf1;a-L&#xf3;pez, 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">B&#xf6;hmer and Harko, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B73">Chavanis, 2011a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis, 2012b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B258">Rindler-Daller and Shapiro, 2012</xref>). In general relativity, one must use the Klein&#x2013;Gordon&#x2013;Einstein (KGE) equations (<xref ref-type="bibr" rid="B189">Kaup, 1968</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Baldeschi et al., 1983</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B270">Seidel and Suen, 1994</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B200">Lee and Koh, 1996</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B167">Guzm&#xe1;n and Matos, 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B164">Goodman, 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B250">Peebles, 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B9">Arbey et al., 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Arbey et al., 2003</xref>). DM halos made of BECs can thus be viewed as gigantic bosonic atoms where the bosonic particles are condensed in a single macroscopic quantum state. The wave properties of the SF are negligible at large (cosmological) scales where the SF behaves as CDM, but they gain importance at small (galactic) scales where they can prevent gravitational collapse, providing halo cores and suppressing small-scale structures. This can solve the CDM small-scale crisis such as the core&#x2013;cusp problem and the missing satellite problem. The bosonic model is also called wave DM, fuzzy dark matter (FDM), quintessential DM, ultralight dark matter (ULDM), BECDM, <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>DM, SFDM, etc. In the present review, following our previous works, we shall use the name BECDM.</p>
<p>The evolution of a self-gravitating BEC presents three main periods:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(i) Initially, the universe (assumed to be made of bosons in the form of BECs) is spatially homogeneous. If slightly perturbed,<xref ref-type="fn" rid="fn3">
<sup>3</sup>
</xref> it experiences a quantum Jeans instability, leading to the growth of the perturbations and the formation of condensations (clumps) (<xref ref-type="bibr" rid="B182">Jeans, 1902</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B190">Khlopov et al., 1985</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Bianchi et al., 1990</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B177">Hu et al., 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B275">Sikivie and Yang, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis, 2012b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B285">Su&#xe1;rez and Matos, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2015a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B284">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B95">Chavanis, 2020b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>). This corresponds to the linear regime of structure formation describing the initiation of the large-scale structures of the universe.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(ii) When the density contrast reaches a sufficiently large value, the condensations (overdensities) decouple from the Hubble flow, experience free fall and virialization, and grow through collisions, merging, and accretion before being diluted by the expansion of the universe. This corresponds to the nonlinear regime of structure formation, leading to the DM halos that are observed today.<xref ref-type="fn" rid="fn4">
<sup>4</sup>
</xref> BECDM halos are formed by a dissipationless (&#x201c;collisionless&#x201d;) relaxation process called gravitational cooling (<xref ref-type="bibr" rid="B270">Seidel and Suen, 1994</xref>) or violent relaxation (<xref ref-type="bibr" rid="B215">Lynden-Bell, 1967</xref>). By this process, BECDM halos acquire a &#x201c;core-envelope&#x201d; structure with a quantum core (soliton) surrounded by an extended quasi-isothermal envelope that results from the quantum interferences of the excited states. This core&#x2013;envelope structure has been evidenced in numerical simulations of the SP, GPP, and KGE equations (<xref ref-type="bibr" rid="B270">Seidel and Suen, 1994</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al., 2014a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al., 2014b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B268">Schwabe et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B226">Mocz et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B227">Mocz et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B292">Veltmaat et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B228">Mocz et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B229">Mocz et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B293">Veltmaat et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B162">Glennon and Prescod-Weinstein, 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B230">Mocz et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B212">Liu et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B237">Nori et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B247">Painter et al., 2024</xref>). The quantum core (soliton) results from the balance between the gravitational attraction and the quantum pressure arising from the Heisenberg uncertainty principle or the self-interaction of the bosons. This is the ground state of the SP, GPP, or KGE equations. The envelope results from the balance between the gravitational attraction and an effective thermal pressure. The quantum core may solve the core&#x2013;cusp problem of the CDM model and the approximately isothermal envelope, which is similar to the classical NFW profile, accounts for the flat rotation curves of the galaxies at large distances (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn5">
<sup>5</sup>
</xref> The mass of the quantum core <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases with the halo mass <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The minimum halo <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to a purely solitonic core without envelope <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is the ground state of the SP, GPP, or KGE equations. One interesting problem is to determine the core mass&#x2013;halo mass relation <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of BECDM halos and see what happens when the core mass becomes sufficiently large (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis, 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis, 2020a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B243">Padilla et al., 2021</xref>).</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(iii) The envelope of BECDM halos has a granular structure as a result of quantum fluctuations (<xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al., 2014a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al., 2014b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B178">Hui et al., 2017</xref>). These granules (or quasiparticles) induce the secular evolution of the envelope (<xref ref-type="bibr" rid="B207">Levkov et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Bar-Or et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B217">Marsh and Niemeyer, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B148">El-Zant et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Bar-Or et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B100">Chavanis, 2021b</xref>). During this &#x201c;collisional&#x201d; process, some particles of the envelope condense and the mass of the soliton increases, being fed by the envelope (<xref ref-type="bibr" rid="B207">Levkov et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B145">Eggemeier and Niemeyer, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B115">Chen et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B116">Chen et al., 2022</xref>). This scenario was originally introduced to describe the Bose&#x2013;Einstein condensation and the formation of axion stars in virialized DM halos and axion miniclusters (<xref ref-type="bibr" rid="B207">Levkov et al., 2018</xref>). It was then applied to the formation of inflaton stars in inflaton clusters (<xref ref-type="bibr" rid="B232">Musoke et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B235">Niemeyer and Easther, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B146">Eggemeier et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B147">Eggemeier et al., 2022</xref>).</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>There have been several recent reviews on the scalar field, fuzzy, ultralight, wave, or BEC dark matter model and on axion stars (<xref ref-type="bibr" rid="B287">Su&#xe1;rez et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B259">Rindler-Daller et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B83">Chavanis, 2015d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B219">Marsh, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B205">Lee, 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Braaten and Zhang, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B236">Niemeyer, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B109">Chavanis, 2023b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B150">Ferreira, 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B179">Hui, 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B297">Visinelli, 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B191">Khoury, 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B222">Matos et al., 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B245">Padilla et al., 2024</xref>). In this paper, we review the basic aspects of self-gravitating BECs. We discuss results (mainly centered on our own contributions) that have not been treated in detail in the previous reviews. We only quote the literature closely related to these topics and refer to other reviews and to the introductions in our papers (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>) for additional references on a broader context.</p>
<p>This review is organized as follows. <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> discusses the KGE and GPP equations governing self-gravitating BECs in the relativistic and nonrelativistic regimes, respectively. In the following sections, we focus on the nonrelativistic limit. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> introduces the <xref ref-type="bibr" rid="B216">Madelung (1927)</xref> hydrodynamic representation of the GPP equations (<xref ref-type="bibr" rid="B29">B&#xf6;hmer and Harko, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B275">Sikivie and Yang, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B73">Chavanis, 2011a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis, 2012b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B258">Rindler-Daller and Shapiro, 2012</xref>). <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> discusses the ground state of the GPP equations, called a soliton. This ground-state solution describes either the minimum halo or the quantum core of large DM halos. The core mass&#x2013;radius relation can be obtained exactly by solving the GPP equations numerically, or approximately (analytically) by using a variational approach based on a Gaussian ansatz (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>). In the case of self-gravitating BECs with no self-interaction or with a repulsive self-interaction, we recall the existence of a maximum mass set by general relativity (<xref ref-type="bibr" rid="B189">Kaup, 1968</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>). In the case of self-gravitating BECs with a strongly attractive self-interaction, we show that equilibrium states exist only below a maximum mass obtained in (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>) that has a nonrelativistic origin. It corresponds to the maximum mass of dilute axion stars (<xref ref-type="bibr" rid="B109">Chavanis, 2023b</xref>). We introduce an interpolation formula that connects these different limiting masses (<xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>). We also discuss the outcomes of the collapse above the maximum mass, leading to a dense axion star, a bosenova, a black hole, axion drops, fast radio bursts, etc (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Braaten et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B119">Cotner, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B120">Davidson and Schwetz, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B137">Eby et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B173">Helfer et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B206">Levkov et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B225">Michel and Moss, 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B296">Visinelli et al., 2018</xref>). <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> describes the core&#x2013;envelope structure of BECDM halos resulting from gravitational cooling (<xref ref-type="bibr" rid="B270">Seidel and Suen, 1994</xref>) and violent relaxation (<xref ref-type="bibr" rid="B215">Lynden-Bell, 1967</xref>). We introduce a coarse-grained Wigner equation and derive hydrodynamic equations as well as a generalized GPP equation relaxing toward an equilibrium state with a core&#x2013;envelope structure (<xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis, 2022a</xref>). In <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref>, we develop a predictive model of BECDM halos (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>). In this model, the quantum core (soliton), corresponding to the ground state of the GPP equation, can solve the core&#x2013;cusp problem. It is surrounded by an isothermal envelope that accounts for the flat rotation curves of the galaxies. By using the observational fact that the surface density of DM halos is universal (<xref ref-type="bibr" rid="B195">Kormendy et al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B279">Spano et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B136">Donato et al., 2009</xref>) we obtain the halo mass&#x2013;radius relation. Then, by using a &#x201c;velocity dispersion tracing&#x201d; relation justified by thermodynamical arguments based on a maximum entropy principle (most probable state), we obtain a general core mass&#x2013;halo mass relation valid for bosons with repulsive or attractive self-interactions (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis, 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis, 2020a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B243">Padilla et al., 2021</xref>). Previously known results (<xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al., 2014b</xref>) are recovered in particular limits of this relation. In the case of a repulsive self-interaction, we show by a general argument that the quantum core of realistic BECDM halos can never overcome the maximum mass set by general relativity and collapse toward a black hole by this process. In the case of an attractive self-interaction, we determine the halo mass above which the soliton (&#x201c;axion&#x201d; star) overcomes the maximum mass of <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> and collapses. <xref ref-type="sec" rid="s7">Section 7</xref> discusses the secular evolution of BECDM halos due to the granular structure of the envelope (quasiparticles) (<xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al., 2014a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al., 2014b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B178">Hui et al., 2017</xref>) and the resulting increase in mass of the soliton by Bose&#x2013;Einstein gravitational condensation (<xref ref-type="bibr" rid="B207">Levkov et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B145">Eggemeier and Niemeyer, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B115">Chen et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B116">Chen et al., 2022</xref>). We show that these results can be understood in terms of a kinetic theory based on the bosonic Landau equation (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Bar-Or et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Bar-Or et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B217">Marsh and Niemeyer, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B148">El-Zant et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B100">Chavanis, 2021b</xref>) and that BECDM halos behave in a sense like globular clusters in astrophysics. We thus suggest the possibility that they experience a gravothermal catastrophe stopped by quantum mechanics (Heisenberg&#x2019;s uncertainty principle) or by repulsive scattering. This provides another means to form a solitonic core (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>). This quantum core becomes unstable if the halo mass is sufficiently large, leading to a supermassive black hole (SMBH). <xref ref-type="sec" rid="s8">Section 8</xref> discusses basic results of BECDM cosmology. We determine the Jeans length and the Jeans mass of a spatially homogeneous self-gravitating BEC (<xref ref-type="bibr" rid="B190">Khlopov et al., 1985</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Bianchi et al., 1990</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>). Then, we take into account the expansion of the universe and discuss the different stages taking place during the cosmological evolution of a spatially homogeneous BECDM universe (<xref ref-type="bibr" rid="B208">Li et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2017</xref>). Finally, we consider the growth of perturbations in an expanding universe filled with BECDM and again identify different regimes of evolution (<xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis, 2012b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2015a</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 From the KGE equations to the GPP equations</title>
<p>We assume that DM is made of spinless bosons in the form of BECs at <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Basically, the wavefunction (or SF) <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a BEC in general relativity is governed by the KGE equations (see <xref ref-type="bibr" rid="B58">Chavanis and Matos (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B103">Chavanis (2022c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> and references therein)<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x25a1;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x25a1;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the d&#x2019;Alembertian operator in a curved spacetime with metric <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the covariant derivative), <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Ricci tensor, <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the self-interaction potential of the bosons, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is their mass, and<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="3em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>is the energy-momentum (stress) tensor of the SF. These equations have been introduced in the context of boson stars, first in the noninteracting case (<xref ref-type="bibr" rid="B189">Kaup, 1968</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>) and then for a self-interaction of the form <xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al. (1986)</xref>:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dimensionless self-interaction constant. This <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> potential is the leading term in the expansion of an arbitrary self-interaction potential <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for small field values. In the aforementioned papers, the SF <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is complex and the conservation of the charge or the conservation of the particle number (provided that anti-bosons are counted negatively) ensures the stability of the boson stars below a maximum mass of general relativistic origin (see <xref ref-type="sec" rid="s4-5">Section 4.5</xref>). The case of a real SF has also been considered, in particular in relation to axions. However, relativistic boson stars described by a real SF are usually unstable (see the discussion in the introduction of <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> and references therein).</p>
<p>This review especially focuses on the nonrelativistic limit of the KGE equations, which is suitable to describe BECDM in most cases of interest. By making the Klein transformation<xref ref-type="fn" rid="fn6">
<sup>6</sup>
</xref>
<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the pseudo-wavefunction, we can first transform the KG <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref> into the general relativistic GP equation (<xref ref-type="bibr" rid="B58">Chavanis and Matos, 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B221">Matos et al., 2019</xref>)<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x25a1;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x25a1;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Then, by taking the nonrelativistic limit <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of this wave equation and of the Einstein field equations [see <xref ref-type="bibr" rid="B58">Chavanis and Matos (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B282">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015b)</xref> and Appendix B of <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> for details], we obtain the GPP equations (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>)<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>These equations describe a nonrelativistic self-gravitating BEC at <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the context of Newtonian gravity. Here <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the gravitational potential produced by the mass density of the BEC <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through the Poisson <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref>. For a complex SF <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the potential <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the GP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref> coincides with the potential <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the KG <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref>, provided that we substitute <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> deduced from <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref>.</p>
<p>For the standard BEC, we have<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the scattering length of the bosons (it is related to the dimensionless self-interaction constant introduced above by <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Compton wavelength of the bosons). The interaction between the bosons is repulsive when <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and attractive when <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The GP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref> with the <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction potential from <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref> can be directly obtained from the mean field Schr&#xf6;dinger equation valid for <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> bosons in interaction (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Bogoliubov, 1947</xref>), by assuming that the short-range potential of interaction between the bosons can be modeled by a pair contact potential of the form <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with a coupling constant <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see Sec. II. A. of <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> and references therein).</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> For a real SF, like the one describing axions, the counterpart of <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref> is<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This transformation allows us to separate the fast oscillations of the SF with proper pulsation <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> caused by its rest mass from the slow evolution of <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the nonrelativistic limit <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> we can neglect the oscillatory terms that average out to 0 (fast oscillation regime), and we obtain the GPP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref>. In the present case, the potential <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained by first substituting <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref> into the potential <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and then by averaging over the oscillations (see Secs. II and III of <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>, Appendix A of <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis (2020c)</xref>, and Appendix C of <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> for details). Therefore, <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is different from the potential that one would naively obtain by directly substituting into <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the quantity <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (already averaged) obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref> as we can do when <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is complex. Indeed, <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For the instantonic potential of axions<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the axion decay constant, one obtains by this procedure a self-interaction potential of the form<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is Bessel&#x2019;s function. By expanding this potential for <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain the <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> potential of <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref> with <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This shows that the self-interaction of axions is attractive.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Quantum hydrodynamics</title>
<p>In astrophysics, one is used to describe stars, DM, and even the universe as a whole in terms of fluid equations. At first sight, the BECDM model relies on a completely different formalism since we now have to work in terms of a complex wavefunction <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> whose evolution is governed by the GPP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref>. However, by using the <xref ref-type="bibr" rid="B216">Madelung (1927)</xref> transformation, the GPP equations can be written in the form of quantum hydrodynamic equations for a potential flow. To that purpose, we write the wavefunction under the polar form<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the density of the BEC and <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the action from which we define the velocity field<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The velocity field is irrotational <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It can be shown that the GPP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> are equivalent<xref ref-type="fn" rid="fn7">
<sup>7</sup>
</xref> to hydrodynamic equations of the form (see <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> and references therein)<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>is the quantum potential taking into account the Heisenberg uncertainty principle and<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>is the pressure arising from the self-interaction of the bosons.<xref ref-type="fn" rid="fn8">
<sup>8</sup>
</xref> For the standard BEC, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equations 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>, the equation of state is<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>corresponding to a polytrope of index <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (quadratic equation of state). For an attractive self-interaction between the bosons <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the pressure is negative.</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equations 16</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref> have a clear physical interpretation. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref> is the continuity equation, <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref> is the quantum Hamilton&#x2013;Jacobi (or Bernoulli) equation, <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 18</xref> is the quantum Euler equation, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 19</xref> is the Poisson equation. We will call them the quantum Euler&#x2013;Poisson equations. For <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we recover the classical hydrodynamic equations of the CDM model.</p>
<p>In the context of BECDM, the hydrodynamic representation of the GPP equations through the Madelung transformation was first considered by <xref ref-type="bibr" rid="B29">B&#xf6;hmer and Harko (2007)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B275">Sikivie and Yang (2009)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini (2011)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B73">Chavanis (2011a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis (2012b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B258">Rindler-Daller and Shapiro (2012)</xref>. It is also possible to write the KGE equations in the form of quantum hydrodynamic equations by using the de Broglie transformation (<xref ref-type="bibr" rid="B124">de Broglie, 1927b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B125">de Broglie, 1927c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B123">de Broglie, 1927a</xref>). In the context of BECDM, the hydrodynamic representation of the KGE equations was first considered by <xref ref-type="bibr" rid="B285">Su&#xe1;rez and Matos (2011)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B286">Su&#xe1;rez and Matos (2014)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B282">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015b)</xref> in the weak gravity limit and by <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko (2012)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B82">Chavanis (2015c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B58">Chavanis and Matos (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B221">Matos et al. (2019)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B103">Chavanis (2022c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> in a curved spacetime with an arbitrary metric (possibly including the electromagnetic field).<xref ref-type="fn" rid="fn9">
<sup>9</sup>
</xref> In this review, we will essentially use the hydrodynamic representation of the GPP equations (see <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> for the expression of the following results using the wave representation). We stress, however, that the fluid approach cannot resolve interference patterns at very small scales, in regions where the quantum pressure becomes ill-defined due to the vanishing of the wavefunction and the density. This is in general accompanied by the formation of singularities and topological defects like vortex lines.</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> We note that the quantum force in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 18</xref> can be written as (<xref ref-type="bibr" rid="B288">Takabayasi, 1952</xref>)<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>is an anisotropic quantum pressure tensor. Therefore, the quantum Euler <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 18</xref> may be rewritten as<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This shows that the quantum force is equivalent to an anisotropic pressure force. This remark will make more sense in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Soliton</title>
<p>In this section, we consider the ground state of the GPP equations, which is usually referred to as a soliton. As explained in the introduction, this ground state solution can either describe the minimum halo of typical mass <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and typical radius <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is a pure soliton with no envelope, or the quantum core of larger DM halos <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which possess an extended envelope.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Equilibrium state</title>
<p>In the hydrodynamic representation of the GPP equations, the equilibrium state of a BECDM halo is determined by the condition of quantum hydrostatic equilibrium<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This equation describes the balance between the pressure due to the self-interaction of the bosons, the gravitational force, and the quantum force arising from the Heisenberg uncertainty principle. The quantum force always tends to stabilize a BECDM halo with respect to gravitational collapse. A repulsive self-interaction also stabilizes a BECDM halo similarly to the Pauli exclusion principle for fermionic DM. By contrast, an attractive self-interaction adds its effect to the gravitational attraction and destabilizes a BECDM halo above a maximum mass (see below). By combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Equation 26</xref> with the Poisson <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 19</xref>, we obtain the fundamental differential equation of quantum hydrostatic equilibrium (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>)<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the standard BEC, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>, it becomes<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The solution of this equation without node corresponds to the ground state of the GPP equations (soliton). This differential equation has been solved numerically in <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini (2011)</xref> in the general case of a repulsive or an attractive self-interaction (or no self-interaction as in <xref ref-type="bibr" rid="B224">Membrado et al. (1989b)</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn10">
<sup>10</sup>
</xref>
</p>
<p>For noninteracting self-gravitating BECs, a Gaussian density profile of the form (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>)<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>provides a relatively good fit of the soliton up to a few halo radii. A more accurate fit of the form<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>was later proposed by <xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al. (2014a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al. (2014b)</xref>. The radius <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the central density <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the soliton can be determined in each case from the exact mass&#x2013;radius relation given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equation 34</xref> below (see Sec. III.B.1. of <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref> for details). We find <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.420</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.18</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.180</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.00246</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.750</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the Gaussian fit and <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.869</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8.64</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.14</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.00487</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>27.2</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the more accurate fit. The two fits are compared, together with the exact numerical profile, in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Normalized density profile of the soliton from <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini (2011)</xref> (here <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the central density, and <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the radius, where the central density is divided by 4). It is compared with the Gaussian profile considered in <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> and with the empirical profile proposed by <xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al. (2014a)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al. (2014b)</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g001.tif"/>
</fig>
<p>In the Thomas&#x2013;Fermi (TF) limit where the quantum potential can be neglected (<xref ref-type="bibr" rid="B290">Tkachev, 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B223">Membrado et al., 1989a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B200">Lee and Koh, 1996</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B164">Goodman, 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Arbey et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">B&#xf6;hmer and Harko, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>), the density profile has a compact support. It is analytically expressed as<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This is the well-known density profile of a polytrope of index <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B52">Chandrasekhar, 1957</xref>). In that case, <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Equation 28</xref> is equivalent to the Lane&#x2013;Emden equation of index <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The density vanishes at a finite radius <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Equation 35</xref> below. The central density is <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> In Appendix E of <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref>, we have shown that, in the noninteracting case, the soliton resulting from the equilibrium between the gravitational attraction and the quantum repulsion (Heisenberg&#x2019;s uncertainty principle) is similar to a polytrope of index <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (i.e., <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) with an effective equation of state<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>depending on the gravitational constant <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, to compute the structure of the soliton, instead of solving <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 27</xref> with the quantum term, we can solve <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 27</xref> without the quantum term but with the pressure from <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Equation 32</xref>. The effective <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> polytropic equation of state (<xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Equation 32</xref>) introduced in <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref> has been used in <xref ref-type="bibr" rid="B266">Schobesberger et al. (2021)</xref> to show that vortices should not arise in solitonic cores in the absence of self-interaction.</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Mass&#x2013;radius relation</title>
<p>The mass&#x2013;radius relation of BECDM halos at <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (ground state) representing the minimum halo or the quantum core (soliton) of larger DM halos has been determined in <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini (2011)</xref> for bosons with repulsive or attractive self-interactions (or no self-interaction as in <xref ref-type="bibr" rid="B224">Membrado et al. (1989b)</xref>). It can be obtained by solving the differential <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Equation 28</xref> numerically (<xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>) or by minimizing the energy functional with a Gaussian ansatz for the wavefunction (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>) (see <xref ref-type="app" rid="app1">Appendices 1</xref>, <xref ref-type="app" rid="app2">2</xref>). The variational approach gives an approximate analytical solution of the GPP equations.<xref ref-type="fn" rid="fn11">
<sup>11</sup>
</xref>
</p>
<p>Based on these works, the mass&#x2013;radius relation of self-gravitating BECs can be parametrized by a function of the form<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>The value of the coefficients <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained from the Gaussian ansatz (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>) (see <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix 2</xref>). They can also be determined so as to recover the exact mass&#x2013;radius relation obtained numerically (<xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>) in appropriate asymptotic limits (see <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> for details). In this section, we consider a vanishing or a repulsive self-interaction <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The case of an attractive self-interaction <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is treated in the following section.</p>
<p>In the noninteracting case, the mass&#x2013;radius relation is given by (<xref ref-type="bibr" rid="B224">Membrado et al., 1989b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini 2011</xref>)<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>9.95</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the radius containing <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
<mml:mi>%</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the mass. The scaling of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equation 34</xref> can be obtained qualitatively by writing that the radius of the soliton is of the order of the de Broglie wavelength <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> where the velocity is identified with the velocity dispersion <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obtained from the virial theorem.</p>
<p>In the TF limit where we can neglect the quantum potential, the equilibrium states have a unique radius (independent of the halo mass <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) given by (<xref ref-type="bibr" rid="B290">Tkachev, 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B223">Membrado et al., 1989a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B200">Lee and Koh, 1996</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B164">Goodman, 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Arbey et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">B&#xf6;hmer and Harko, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>)<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.22</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>19</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Planck mass.</p>
<p>The mass&#x2013;radius relation with <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is represented in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. The radius decreases monotonically from <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the mass increases. Therefore, <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the minimum radius of a BECDM halo with a repulsive self-interaction. An equilibrium state exists for any mass <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and is dynamically stable. There is a transition mass <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to a radius <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a density <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (these transition scales can be equivalently written as <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The noninteracting limit is valid when <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and the TF limit is valid when <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>).</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Mass&#x2013;radius relation of self-gravitating BECs with repulsive self-interaction <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>). The mass is normalized by <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the radius by <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. There is a stable equilibrium state for any mass <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g002.tif"/>
</fig>
<p>If we apply <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equation 34</xref> to the minimum halo of typical mass <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and typical radius <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we get <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This gives the typical value of the boson mass in the noninteracting limit. However, this small mass value is in tension with Lyman-<inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> forest observations as it suppresses small-scale density fluctuations (<xref ref-type="bibr" rid="B178">Hui et al., 2017</xref>).</p>
<p>If we apply <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Equation 35</xref> to the minimum halo of typical mass <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and typical radius <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we get <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.28</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (or <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). We may then use other relations to obtain the values of <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> individually, as detailed in <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>. For example, by using the Bullet Cluster constraint <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>1.25</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> where <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the self-interaction cross section of the bosons (<xref ref-type="bibr" rid="B257">Randall et al., 2008</xref>), we find that <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>1.10</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>4.41</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (or <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>6.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). This gives the maximum value of the boson mass and of its self-interaction.</p>
<p>More generally, by fixing the values of <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equation 33</xref> to those of the minimum halo (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>), we can obtain a relation between the mass <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the scattering length <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the DM particle (see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>). This is a constraint that these two parameters must satisfy (<xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis, 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>). There is a transition scattering length <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.18</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8.13</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>62</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (or <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>252</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.02</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> independent of <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) corresponding to a mass <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.15</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<xref ref-type="fn" rid="fn12">
<sup>12</sup>
</xref> The noninteracting limit corresponds to <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (or <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), and the TF limit corresponds to <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (or <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). According to the above results, in the case of a repulsive self-interaction, we have the bounds <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>1.10</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>4.41</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (or <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>6.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). We see that, depending on the strength of the self-interaction, the mass of the boson can vary by 18 orders of magnitude.<xref ref-type="fn" rid="fn13">
<sup>13</sup>
</xref> Therefore, a repulsive self-interaction may solve the tensions of the noninteracting BECDM model by allowing a (much) larger mass of the bosonic particle (<xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>).</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Mass <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the DM particle as a function of the scattering length <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in order to match the characteristics of the minimum halo (<xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis, 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>). The mass is normalized by <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the scattering length by <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The stable part of the curve starts at the critical minimum halo point <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It differs from the minimum of the curve <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> as detailed in <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g003.tif"/>
</fig>
<p>We can also use the Gaussian ansatz to obtain the pulsation of the soliton as a function of the self-interaction parameter <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [see <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, Appendix F of <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>, and <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix 2</xref>]. In the noninteracting case, it is given by<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Gauss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.90</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.22</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>which is in fair agreement with the numerical value <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.025</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obtained in <xref ref-type="bibr" rid="B292">Veltmaat et al. (2018)</xref> (see their Equation 16). In the TF limit, the Gaussian ansatz yields <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Gauss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.78</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.01</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We can obtain the exact value of <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by solving the Eddington equation of pulsation, giving <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.94</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.19</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For the minimum halo, we obtain a pulsation period <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mn>148</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">y</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is of the order of the dynamical time <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>47.2</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">y</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3 Maximum mass of dilute axion stars</title>
<p>Self-gravitating BECs with an attractive self-interaction <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be at equilibrium only below a maximum mass given by (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>)<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.012</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The corresponding radius is<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.5</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>We note that <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.57</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Since axions have an attractive self-interaction, the mass from <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Equation 37</xref> represents the maximum mass of dilute axion stars.<xref ref-type="fn" rid="fn14">
<sup>14</sup>
</xref> This maximum mass was first identified by <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>. It has a nonrelativistic origin, being essentially due to the attractive self-interaction of the bosons. In this sense, it is fundamentally different from the maximum mass of white dwarfs (<xref ref-type="bibr" rid="B48">Chandrasekhar, 1931</xref>), neutron stars (<xref ref-type="bibr" rid="B241">Oppenheimer and Volkoff, 1939</xref>), boson stars (<xref ref-type="bibr" rid="B189">Kaup, 1968</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>), soliton stars (<xref ref-type="bibr" rid="B203">Lee, 1987a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B204">Lee, 1987b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B155">Friedberg et al., 1987</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B201">Lee and Pang, 1987</xref>), and oscillatons (<xref ref-type="bibr" rid="B269">Seidel and Suen, 1991</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Alcubierre et al., 2003</xref>), which is due to special or general relativity (see <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>).</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Maximum mass <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of different types of fermion and boson stars. It is interesting to note that all the scalings <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are represented. We have also indicated the minimum radius <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the maximum compactness <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the star. The compactness of a Schwarzschild black hole is <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>S</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The Buchdahl inequality for a barotropic relativistic star imposes <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.444</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The ratio between the star radius <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the Schwarzschild radius <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is restricted by the Buchdahl inequality <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> so a barotropic relativistic star cannot be a black hole.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center"/>
<th align="center">
<inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">White dwarfs (<xref ref-type="bibr" rid="B48">Chandrasekhar, 1931</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mn>3.10</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Neutron stars (<xref ref-type="bibr" rid="B241">Oppenheimer and Volkoff, 1939</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.384</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:mn>3.35</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.114</td>
<td align="center">4.37</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Mini boson (mini soliton) stars (<xref ref-type="bibr" rid="B189">Kaup, 1968</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.633</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mn>6.03</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.105</td>
<td align="center">4.76</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Massive boson stars (<xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0612</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.383</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.160</td>
<td align="center">3.13</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Soliton star (<xref ref-type="bibr" rid="B155">Friedberg et al., 1987</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B203">Lee, 1987a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B204">Lee, 1987b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B201">Lee and Pang, 1987</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left"/>
<td align="left"/>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="center">Oscillatons (real SF) (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Alcubierre et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B269">Seidel and Suen, 1991</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.606</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left"/>
<td align="left"/>
<td align="left"/>
</tr>
<tr>
<td align="center">Dilute axion stars (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:mn>5.07</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:mn>1.10</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:mn>4.61</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left"/>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The mass&#x2013;radius relation with <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is represented in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Mass&#x2013;radius relation of self-gravitating BECs with attractive self-interaction <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>). The mass is normalized by <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the radius by <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. There exists a maximum mass <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>). For <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> there are two equilibrium states. On the stable branch (S), the system, when slightly perturbed, oscillates about its equilibrium state. On the unstable branch (U), different evolutions are possible depending on how the mass <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> compares with the critical mass <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>) at which the energy of the unstable state vanishes: (i) for <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the unstable system can either collapse or explode and disperse away (instead of exploding, it may migrate toward the stable equilibrium state through gravitational cooling). (ii) For <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the unstable system can either collapse or oscillate about the stable steady state (the oscillations may be damped by gravitational cooling, leading to the migration of the system toward the stable equilibrium state). There is no equilibrium state for <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In that case, the system collapses. These different regimes (oscillations, explosion, and collapse) have been confirmed numerically in <xref ref-type="bibr" rid="B162">Glennon and Prescod-Weinstein (2021)</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g004.tif"/>
</fig>
<p>When <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> there exist equilibrium states. The equilibrium states with <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are stable (minimum of energy at fixed mass), and the equilibrium states with <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are unstable (maximum of energy at fixed mass) (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn15">
<sup>15</sup>
</xref> Therefore, <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the minimum radius of stable equilibrium states. This stability result can be directly established from the topology of the series of equilibria by using the Poincar&#xe9; turning point criterion (<xref ref-type="bibr" rid="B252">Poincar&#xe9;, 1885</xref>),<xref ref-type="fn" rid="fn16">
<sup>16</sup>
</xref> the Whitney theorem (<xref ref-type="bibr" rid="B299">Whitney, 1955</xref>), the Derrick theorem (<xref ref-type="bibr" rid="B129">Derrick, 1964</xref>), or the Wheeler theorem (<xref ref-type="bibr" rid="B172">Harrison et al., 1965</xref>), stating that the change in stability occurs at the turning point of mass <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m249">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini (2011)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>, and references therein). The stability of the axion star can also be obtained by computing the squared pulsation <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and investigating its sign (the squared pulsation is positive for stable configurations, negative for unstable configurations, and vanishes for marginally stable configurations). By using the Gaussian ansatz (see <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis (2016a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis (2020c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> and <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix 2</xref>), we can derive a relation between the squared pulsation <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the slope of the mass&#x2013;radius relation <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For the standard BEC <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it reads (see <xref ref-type="disp-formula" rid="eA17">Equation A17</xref>)<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This relation shows that the equilibrium state is stable when <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and unstable when <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The pulsation vanishes at the maximum mass: <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We also find that the pulsation is maximum at <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.9717</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.272</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> with the value <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.100</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.87</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obtained with the Gaussian ansatz [see <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis (2016a)</xref> and Appendix F of <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>]. The evolution of the pulsation as a function of the radius is represented in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. It is in good agreement with the numerical results obtained in <xref ref-type="bibr" rid="B162">Glennon and Prescod-Weinstein (2021)</xref>.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Squared pulsation (obtained from the Gaussian ansatz) as a function of the radius for self-gravitating BECs with <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m262">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>). The squared pulsation vanishes at <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and is maximum at <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see the text).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g005.tif"/>
</fig>
<p>There is no equilibrium state with <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In that case, the BEC is expected to collapse (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>). The typical collapse time can be estimated with the Gaussian ansatz. Close to the maximum mass, it scales as (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>)<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>coll</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.90178</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dynamical time (see <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix 2</xref>). The collapse time for <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has the same scaling as the period of oscillations about the equilibrium state for <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>):<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.73600</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We also note that dilute axion stars are metastable (local but not global minima of energy at fixed mass). Because of quantum fluctuations, they can penetrate the barrier of energy by tunnel effect and collapse. The calculation of their lifetime (<xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>), which is given by the WKB formula, is an interesting problem in physics. It can be performed by using the instanton theory, leading to an expression of the form (<xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>)<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>life</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0465</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>17.1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>where the coefficients are determined by the Gaussian ansatz (see <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix 2</xref>). We note that the detailed expression of the lifetime of dilute axion stars is unnecessary because it scales as <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>life</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This exponential scaling is typical of systems with long-range interactions (<xref ref-type="bibr" rid="B69">Chavanis, 2005</xref>). Since <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is gigantic (<inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>57</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for QCD axion stars and <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>96</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for axion stars made of ULAs&#x2013;see below), metastable states are actually stable states.<xref ref-type="fn" rid="fn17">
<sup>17</sup>
</xref> The metastable lifetime is reduced only extremely close to the maximum mass. Actually, because of quantum fluctuations, the critical mass of collapse (obtained when the exponential term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">Equation 42</xref> is of order 1) is <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>crit</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.103</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>). In practice, it is indistinguishable from <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. On the other hand, by using finite size scaling arguments, one can show that the collapse time scales like <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>coll</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exactly at the maximum mass <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> instead of being infinite according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">Equation 40</xref>. Similar results with, however, different exponents (<inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> instead of <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m283">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m285">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) are obtained by investigating the effect of thermal fluctuations (<xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>; Chavanis, in preparation). Because of thermal fluctuations, dilute axion stars can overcome the energy barrier and collapse. In that case, the lifetime of axion stars is given by the Kramers formula, which can also be derived from the instanton theory (Chavanis, in preparation).</p>
<p>It is instructive to write the maximum mass and the minimum radius of dilute axion stars in different forms (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>)<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.073</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10.15</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.55</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>32</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the axion decay constant. We note that the maximum mass <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depends only on <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Assuming naively <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">Formula 43</xref> suggests that the maximum mass of dilute axion stars is of the order of the Planck mass. Furthermore, the nonrelativistic limit is valid for <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x201c;large&#x201d; (see below). Therefore, we would naively expect that the maximum mass of dilute axion stars is smaller than the Planck mass. That would make these objects relevant to particle physics <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> rather than astrophysics <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<xref ref-type="fn" rid="fn18">
<sup>18</sup>
</xref> However, &#x201c;large&#x201d; means nothing in itself. We must specify a reference value. Now, the precise criterion of validity of the nonrelativistic limit is <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see Equation 140 in <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s4-6">Section 4.6</xref> below). Since the axion mass <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m298">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is much smaller than <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the nonrelativistic approximation is valid even when <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is extremely small as compared to unity (e.g., up to <inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>!), allowing us to have a large maximum mass <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the order of the mass of astrophysical bodies (see the examples below).</p>
<p>For QCD axions with <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m303">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m304">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5.8</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (corresponding to <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>7.39</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>49</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>5.82</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), we get <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6.46</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>227</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> which are of the order of the mass and size of asteroids. This leads to the notion of &#x201c;axteroids.&#x201d;</p>
<p>For ULAs, we can have a much larger maximum mass, of the order of galactic masses (or, more precisely, of their DM quantum cores). Its precise value depends on the values of <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m309">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m310">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which are not well-known. Taking <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m311">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="m312">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>68</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (corresponding to <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="m313">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>96</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="m314">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.34</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) predicted in <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref> from particle physics and cosmology constraints (see Sec. VII.C of <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref> and Sec. IV.D of <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>), we get <inline-formula id="inf271">
<mml:math id="m315">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.10</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="m316">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.09</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<xref ref-type="fn" rid="fn19">
<sup>19</sup>
</xref>
</p>
<p>In these two examples, the nonrelativistic approximation is justified because <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="m317">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf274">
<mml:math id="m318">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively (the second approximation is marginally valid). The amazingly small value of <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="m319">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> was first emphasized in <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini (2011)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>.</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> For the minimum halo of typical mass <inline-formula id="inf276">
<mml:math id="m320">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and typical radius <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="m321">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to be stable (see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>), we must have <inline-formula id="inf278">
<mml:math id="m322">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.11</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>62</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (corresponding to <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="m323">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3.07</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>91</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf280">
<mml:math id="m324">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>1.97</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="m325">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.19</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>). We note that <inline-formula id="inf282">
<mml:math id="m326">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> does not change substantially from the noninteracting case, while <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="m327">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (or <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="m328">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="m329">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) can change by many orders of magnitude.</p>
</sec>
<sec id="s4-4">
<title>4.4 Outcome of the collapse</title>
<p>When <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="m330">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> there is no equilibrium state, and the dilute axion star collapses (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn20">
<sup>20</sup>
</xref> The outcome of the collapse above the maximum mass has been discussed by several authors (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Braaten et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B120">Davidson and Schwetz, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B119">Cotner, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B137">Eby et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B206">Levkov et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B173">Helfer et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B296">Visinelli et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B225">Michel and Moss, 2018</xref>), and different scenarios have been developed:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(i) The first possibility is to form a <italic>dense axion star</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Braaten et al., 2016</xref>). When the star becomes overdense as a consequence of the collapse, one needs to take into account higher-order terms in the expansion of the self-interaction potential. The next-order term is a <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="m331">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> term. A repulsive <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="m332">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Braaten et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B137">Eby et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>) can stabilize the star against complete collapse and lead to a dense axion star. The mass&#x2013;radius relation of dilute and dense axion stars has been obtained in <xref ref-type="bibr" rid="B36">Braaten et al. (2016)</xref> by solving the GPP equations numerically and in <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref> by using a Gaussian ansatz (see <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn21">
<sup>21</sup>
</xref> Phase transitions between dilute and dense axion stars have been studied in <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>. Dilute axion stars collapse above a maximum mass <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="m333">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and become dense axion stars. Dense axion stars explode below a minimum mass <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="m334">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and disperse away. Dense axion stars collapse above a maximum mass <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="m335">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of general relativistic origin [see <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, (2018b)</xref> and <xref ref-type="app" rid="app4">Appendix D</xref> of <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis (2020c)</xref> for more details]. Interestingly, the mass&#x2013;radius relation of dilute and dense axion stars shares formal similarities with the mass&#x2013;radius relation of compact objects going from white dwarfs to neutron stars (<xref ref-type="bibr" rid="B172">Harrison et al., 1965</xref>) (see Sec. XI.C of <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>).</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(ii) The second possibility is a <italic>bosenova</italic> phenomenon (<xref ref-type="bibr" rid="B206">Levkov et al., 2017</xref>) if special relativity is taken into account in the wave equation. The collapse of the axion star may be accompanied by a burst of relativistic axions when the density reaches high values. In that case, the implosion of the core is followed by an explosion of the halo, like in supernovae (<xref ref-type="bibr" rid="B66">Chavanis et al., 2019</xref>). This may lead to an emission of radio-photons via parametric resonance (<xref ref-type="bibr" rid="B175">Hertzberg et al., 2020</xref>).</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(iii) The third possibility, in the case where general relativity is taken into account, is the formation of a <italic>black hole</italic> if the mass of the axion star is sufficiently large or if the self-interaction is sufficiently weak <inline-formula id="inf292">
<mml:math id="m336">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This possibility has been demonstrated numerically in <xref ref-type="bibr" rid="B173">Helfer et al. (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B225">Michel and Moss (2018)</xref>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(iv) The axion star may also fragment in several stable pieces (<italic>axion drops</italic>) of mass <inline-formula id="inf293">
<mml:math id="m337">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, thereby preventing its complete collapse (<xref ref-type="bibr" rid="B120">Davidson and Schwetz, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B119">Cotner, 2016</xref>). This result suggests that some astrophysical objects made of self-gravitating BECs with an attractive self-interaction may present several cores (solitons) instead of just one. This possibility was mentioned in <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>. The collapse of the soliton and the formation of multi-boson stars in miniclusters by a process of fragmentation when the bosons have an attractive self-interaction and <inline-formula id="inf294">
<mml:math id="m338">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has been shown in the numerical simulations of <xref ref-type="bibr" rid="B115">Chen et al. (2021)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B116">Chen et al. (2022)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B162">Glennon and Prescod-Weinstein (2021)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B230">Mocz et al. (2023)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B247">Painter et al. (2024)</xref>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(v) Finally, it has been proposed that <italic>fast radio bursts</italic>, whose origin is one of the major mysteries of high energy astrophysics, could be caused by axion stars that have reached the maximum mass <inline-formula id="inf295">
<mml:math id="m339">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and collapsed (see <xref ref-type="bibr" rid="B256">Raby (2016)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B134">Di (2024)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B133">Di et al. (2024)</xref> and references therein).</p>
</list-item>
</list>
</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Mass&#x2013;radius relation of self-gravitating BECs with an attractive <inline-formula id="inf296">
<mml:math id="m340">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction and a repulsive <inline-formula id="inf297">
<mml:math id="m341">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction obtained from the Gaussian ansatz (<xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>). Close to <inline-formula id="inf298">
<mml:math id="m342">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> the actual mass&#x2013;radius relation <inline-formula id="inf299">
<mml:math id="m343">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> should form a spiral like in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. The stability of the solutions can be determined by applying the Poincar&#xe9; turning point criterion (<xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>). The branch of dilute axion stars is stable until the maximum mass <inline-formula id="inf300">
<mml:math id="m344">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and then it becomes unstable until the minimum mass <inline-formula id="inf301">
<mml:math id="m345">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The branch of dense axion stars is stable between the minimum mass <inline-formula id="inf302">
<mml:math id="m346">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the maximum mass <inline-formula id="inf303">
<mml:math id="m347">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and then it becomes unstable along the presumed spiral.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-5">
<title>4.5 Maximum mass of boson stars in general relativity</title>
<p>We have seen that the radius of Newtonian self-gravitating BECs with a repulsive self-interaction (or no self-interaction) decreases as their mass increases. General relativity must be taken into account when the radius of the object <inline-formula id="inf304">
<mml:math id="m348">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes comparable to its Schwarzschild radius <inline-formula id="inf305">
<mml:math id="m349">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In that case, there is a maximum mass of general relativistic origin above which no equilibrium state is possible. Above that mass, the star is expected to collapse and form a black hole.</p>
<p>The maximum mass and the minimum radius of a noninteracting boson star at <inline-formula id="inf306">
<mml:math id="m350">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> set by general relativity are (<xref ref-type="bibr" rid="B189">Kaup, 1968</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>)<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m351">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,NI</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.633</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.633</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m352">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min,NI</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6.03</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>9.53</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The minimum radius of the boson star is of the order of the Compton wavelength <inline-formula id="inf307">
<mml:math id="m353">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the particle. The scalings of <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Equations 45</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e46">46</xref> can be obtained qualitatively by equating the mass&#x2013;radius relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equation 34</xref> with the Schwarzschild relation <inline-formula id="inf308">
<mml:math id="m354">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> as explained in Appendix B of <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> [see also <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>]. For <inline-formula id="inf309">
<mml:math id="m355">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (nucleon mass), we get <inline-formula id="inf310">
<mml:math id="m356">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,NI</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>8.46</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to a miniboson star (<xref ref-type="bibr" rid="B189">Kaup, 1968</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>). The maximum mass becomes comparable to the solar mass <inline-formula id="inf311">
<mml:math id="m357">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,NI</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf312">
<mml:math id="m358">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For a DM boson of mass <inline-formula id="inf313">
<mml:math id="m359">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see above), one obtains <inline-formula id="inf314">
<mml:math id="m360">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,NI</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.90</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf315">
<mml:math id="m361">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min,NI</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.132</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The maximum mass and the minimum radius of a self-interacting boson star or BEC star at <inline-formula id="inf316">
<mml:math id="m362">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the TF limit set by general relativity are (<xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>)<disp-formula id="e47">
<mml:math id="m363">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.307</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.0612</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(47)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e48">
<mml:math id="m364">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min,TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.92</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.3836</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6.25</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(48)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The minimum radius of a boson star in the TF limit is of the same order as its radius in the nonrelativistic limit (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Equation 35</xref>). On the other hand, for <inline-formula id="inf317">
<mml:math id="m365">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the scaling <inline-formula id="inf318">
<mml:math id="m366">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the maximum mass of a self-interacting boson star is the same as for fermion stars (see <xref ref-type="sec" rid="s6-7">Section 6.7</xref>). The scalings of <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Equations 47</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">48</xref> can be obtained qualitatively by equating the radius from <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Equation 35</xref> with the Schwarzschild relation <inline-formula id="inf319">
<mml:math id="m367">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> as explained in Appendix B of <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> [see also <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>]. For <inline-formula id="inf320">
<mml:math id="m368">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (nucleon mass) and <inline-formula id="inf321">
<mml:math id="m369">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the maximum mass <inline-formula id="inf322">
<mml:math id="m370">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is of the order of the solar mass, like the Chandrasekhar mass of white dwarfs or the Oppenheimer&#x2013;Volkoff mass of neutron stars. This corresponds to a massive boson star (<xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn22">
<sup>22</sup>
</xref> The TF approximation is justified because <inline-formula id="inf323">
<mml:math id="m371">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>38</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s4-6">Section 4.6</xref>). For a DM boson with ratio <inline-formula id="inf324">
<mml:math id="m372">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.28</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see above), one obtains <inline-formula id="inf325">
<mml:math id="m373">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.04</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf326">
<mml:math id="m374">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min,TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>611</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>One can show [see Appendix C of <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis (2020a)</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s6-4">Section 6.4</xref> below] that the mass of the quantum core of a DM halo is always much smaller than the maximum mass set by general relativity. Therefore, the soliton can be treated in the nonrelativistic limit and does not collapse toward a black hole by this process.</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> The maximum mass (<xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Equation 47</xref>) of self-interacting boson stars can be obtained either by solving the KGE equations (<xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>) or from a fluid approach (<xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>). Indeed, in the TF regime, one can show [see <xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B103">Chavanis (2022c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B109">Chavanis (2023b)</xref> and Appendix B.8 of <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> for details] that the SF behaves as a relativistic fluid with an equation of state (<xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>)<disp-formula id="e49">
<mml:math id="m375">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>72</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>24</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(49)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf327">
<mml:math id="m376">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the energy density. At low densities <inline-formula id="inf328">
<mml:math id="m377">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we recover the quadratic equation of state (<xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>) of a nonrelativistic BEC (polytrope of index <inline-formula id="inf329">
<mml:math id="m378">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). At high densities <inline-formula id="inf330">
<mml:math id="m379">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we get a linear equation of state <inline-formula id="inf331">
<mml:math id="m380">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> similar to the equation of state of the radiation (ultrarelativistic regime). The structure of a general relativistic BEC star can, therefore, be determined by solving the Tolman&#x2013;Oppenheimer&#x2013;Volkoff (TOV) equations with the equation of state from <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">Equation 49</xref>. This has been done by <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko (2012)</xref>. The mass&#x2013;radius relation has the form of a spiral (see <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>), similar to the one found for neutron stars (see Figure 2 in <xref ref-type="bibr" rid="B111">Chavanis (2023d)</xref>) and for relativistic stars with a linear equation of state (<xref ref-type="bibr" rid="B68">Chavanis, 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B72">Chavanis, 2008</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn23">
<sup>23</sup>
</xref> <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko (2012)</xref> applied this model to boson stars, condensate DM stars, BECDM halos, and neutron stars (see also <xref ref-type="bibr" rid="B82">Chavanis (2015c)</xref> for a related study). They proposed that neutron stars may have a superfluid core in which neutrons form Cooper pairs and behave as bosons of mass <inline-formula id="inf332">
<mml:math id="m381">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (where <inline-formula id="inf333">
<mml:math id="m382">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the neutron mass). In this sense, neutron stars (which are made of fermions) behave as boson stars or BEC stars. Since the maximum mass of general relativistic BEC stars depends on the self-interaction parameter, it can be larger than the Oppenheimer&#x2013;Volkoff limit <inline-formula id="inf334">
<mml:math id="m383">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>OV</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.384</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.710</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obtained when the neutron star is modeled as an ideal Fermi gas. This could explain certain observations of neutron stars with a mass <inline-formula id="inf335">
<mml:math id="m384">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B199">Lattimer and Prakash, 2011</xref>), which cannot be explained with the Oppenheimer&#x2013;Volkoff model.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Mass&#x2013;radius relation of general relativistic BEC stars with a repulsive <inline-formula id="inf336">
<mml:math id="m385">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction in the TF limit (<xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-6">
<title>4.6 Interpolation formula for the maximum mass of boson stars with repulsive or attractive self-interactions</title>
<p>In the case of boson stars with a repulsive self-interaction <inline-formula id="inf337">
<mml:math id="m386">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, when the scattering length <inline-formula id="inf338">
<mml:math id="m387">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases from 0 to infinity, there is a transition between the general relativistic maximum mass of noninteracting boson stars (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Equation 45</xref>) and the general relativistic maximum mass of self-interacting boson stars in the TF limit (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Equation 47</xref>). An interpolation formula between these two masses has been proposed under the form (<xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>)<disp-formula id="e50">
<mml:math id="m388">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.633</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.235</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(50)</label>
</disp-formula>with corresponding radius<disp-formula id="e51">
<mml:math id="m389">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6.03</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.101</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(51)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As expected, the maximum mass and the minimum radius increase as the self-interaction becomes more and more repulsive since the pressure due to the self-interaction opposes itself to the gravitational attraction and stabilizes the boson star.</p>
<p>In the case of dilute axion stars with an attractive self-interaction <inline-formula id="inf339">
<mml:math id="m390">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, when <inline-formula id="inf340">
<mml:math id="m391">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases from 0 to infinity, there is a transition between the general relativistic maximum mass of noninteracting boson stars (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Equation 45</xref>) and the nonrelativistic maximum mass of dilute axion stars due to the attractive self-interaction of the bosons (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Equation 37</xref>). This transition has been studied in detail in <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>. An interpolation formula between these two masses has been proposed under the form (<xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>)<disp-formula id="e52">
<mml:math id="m392">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.633</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.391</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(52)</label>
</disp-formula>with corresponding radius<disp-formula id="e53">
<mml:math id="m393">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6.03</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.833</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(53)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As expected, the maximum mass decreases while the minimum radius increases as the self-interaction becomes more and more attractive since the negative pressure due to the self-interaction adds itself to the gravitational attraction and destabilizes the axion star.</p>
<p>We see that the transition between these two regimes (weak self-interaction and strong self-interaction) occurs for a scattering length of the order of<disp-formula id="e54">
<mml:math id="m394">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(54)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The noninteracting limit corresponds to <inline-formula id="inf341">
<mml:math id="m395">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and the strongly self-interacting limit (TF limit when <inline-formula id="inf342">
<mml:math id="m396">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and nonrelativistic limit when <inline-formula id="inf343">
<mml:math id="m397">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) corresponds to <inline-formula id="inf344">
<mml:math id="m398">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The abovementioned formulae can also be expressed in terms of <inline-formula id="inf345">
<mml:math id="m399">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf346">
<mml:math id="m400">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The corresponding transition scales are<disp-formula id="e55">
<mml:math id="m401">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(55)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e56">
<mml:math id="m402">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(56)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The noninteracting limit corresponds to <inline-formula id="inf347">
<mml:math id="m403">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf348">
<mml:math id="m404">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and the strongly self-interacting limit corresponds to <inline-formula id="inf349">
<mml:math id="m405">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf350">
<mml:math id="m406">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We note that <inline-formula id="inf351">
<mml:math id="m407">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is of the order of the Schwarzschild radius of the boson <inline-formula id="inf352">
<mml:math id="m408">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf353">
<mml:math id="m409">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is of the order of the gravitational coupling constant <inline-formula id="inf354">
<mml:math id="m410">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf355">
<mml:math id="m411">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is of the order of the Planck mass&#x2013;energy <inline-formula id="inf356">
<mml:math id="m412">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>19</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (note that <inline-formula id="inf357">
<mml:math id="m413">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is independent of the mass <inline-formula id="inf358">
<mml:math id="m414">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the boson) (<xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>).</p>
<p>The results of this section together with those of <xref ref-type="sec" rid="s4-4">Section 4.4</xref> allow us to construct the phase diagram of boson stars with a <inline-formula id="inf359">
<mml:math id="m415">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (and a <inline-formula id="inf360">
<mml:math id="m416">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) self-interaction. It is represented in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> (see <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> for details). For <inline-formula id="inf361">
<mml:math id="m417">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (repulsive case) and for <inline-formula id="inf362">
<mml:math id="m418">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the attractive case <inline-formula id="inf363">
<mml:math id="m419">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we form a boson star when <inline-formula id="inf364">
<mml:math id="m420">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a black hole when <inline-formula id="inf365">
<mml:math id="m421">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For <inline-formula id="inf366">
<mml:math id="m422">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the attractive case <inline-formula id="inf367">
<mml:math id="m423">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we form a dilute axion star when <inline-formula id="inf368">
<mml:math id="m424">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a dense axion star or a bosenova when <inline-formula id="inf369">
<mml:math id="m425">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and a black hole when <inline-formula id="inf370">
<mml:math id="m426">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s4-4">Section 4.4</xref>).</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Phase diagram of boson stars with a <inline-formula id="inf371">
<mml:math id="m427">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction. We have represented the maximum mass <inline-formula id="inf372">
<mml:math id="m428">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> above which the boson star becomes unstable as a function of the scattering length (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Equations 50</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">52</xref>). This maximum mass is <inline-formula id="inf373">
<mml:math id="m429">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,NI</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B189">Kaup, 1968</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B262">Ruffini and Bonazzola, 1969</xref>) when <inline-formula id="inf374">
<mml:math id="m430">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (noninteracting limit), <inline-formula id="inf375">
<mml:math id="m431">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B118">Colpi et al., 1986</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>) when <inline-formula id="inf376">
<mml:math id="m432">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (repulsive case, TF limit), and <inline-formula id="inf377">
<mml:math id="m433">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>) when <inline-formula id="inf378">
<mml:math id="m434">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (attractive case, nonrelativistic limit). We have added (dashed line) the mass <inline-formula id="inf379">
<mml:math id="m435">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,dense</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> above which dense axion stars <inline-formula id="inf380">
<mml:math id="m436">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with a repulsive <inline-formula id="inf381">
<mml:math id="m437">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction become general relativistically unstable and collapse toward a black hole. This phase diagram displays a triple point at <inline-formula id="inf382">
<mml:math id="m438">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Kaup</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separating boson stars (or dilute axion stars), black holes, and dense axion stars (or bosenova) (<xref ref-type="bibr" rid="B173">Helfer et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g008.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Core&#x2013;envelope structure of BECDM halos</title>
<sec id="s5-1">
<title>5.1 Violent relaxation and gravitational cooling</title>
<p>A self-gravitating BEC that is initially out-of-equilibrium undergoes a rapid relaxation toward a virialized state with a core&#x2013;envelope structure. The quantum core (soliton) corresponds to the ground state of the KGE or GPP equations discussed in the previous section. It is surrounded by an extended envelope arising from the quantum interferences of excited states. This relaxation process was first identified by <xref ref-type="bibr" rid="B270">Seidel and Suen (1994)</xref>, who numerically solved the KGE equations with spherical symmetry and showed the formation of a soliton (boson star) accompanied by an outward traveling scalar wave radiation. They called it &#x201c;gravitational cooling.&#x201d; They mentioned the similarity of this process with the &#x201c;violent relaxation&#x201d; of collisionless stellar systems discussed by <xref ref-type="bibr" rid="B215">Lynden-Bell (1967)</xref>. In this sense, the core&#x2013;envelope structure of the equilibrium (virialized) state can be interpreted as being the &#x201c;most probable state&#x201d; reached by the system as a result of a violent relaxation. It can be understood from a maximum entropy principle based on the Lynden&#x2013;Bell entropy. The relaxation of BECDM halos governed by the SP equations was illustrated more recently by <xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al. (2014a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al. (2014b)</xref> with use of spectacular colorful numerical simulations. They clearly showed the formation of a solitonic core surrounded by an NFW-like envelope. They also discovered that the envelope possesses a fluctuating granular structure.</p>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>5.2 Wigner&#x2013;Kramers equation</title>
<p>In order to theoretically understand this core&#x2013;envelope structure and make the link with previous works on the theory of violent relaxation, we have to introduce a phase-space description and use a set of equations similar to the Vlasov&#x2013;Poisson equations governing the evolution of collisionless stellar systems. This can be accomplished in the framework of the Wigner&#x2013;Poisson equations. It can be shown [see Appendix A of <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>] that the Schr&#xf6;dinger equation is equivalent to the Wigner equation<disp-formula id="e57">
<mml:math id="m439">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(57)</label>
</disp-formula>where the Wigner distribution function is defined by<disp-formula id="e58">
<mml:math id="m440">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(58)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>One can check that <inline-formula id="inf383">
<mml:math id="m441">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and that <inline-formula id="inf384">
<mml:math id="m442">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> as in standard kinetic theory [see Appendix A of <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>]. In the semiclassical limit <inline-formula id="inf385">
<mml:math id="m443">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the Wigner equation reduces to the Vlasov equation (see <xref ref-type="bibr" rid="B227">Mocz et al. (2018)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B300">Widrow and Kaiser (1993)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B291">Uhlemann et al. (2014)</xref> for a discussion on the Schr&#xf6;dinger&#x2013;Poisson&#x2013;Vlasov&#x2013;Poisson correspondence).</p>
<p>Like in the case of collisionless stellar systems (<xref ref-type="bibr" rid="B215">Lynden-Bell, 1967</xref>), we need to introduce a coarse-grained description in order to describe the relaxation of the system toward a quasiequilibrium state. By analogy with our former paper (<xref ref-type="bibr" rid="B63">Chavanis et al., 1996</xref>) on the kinetic theory of the violent relaxation of stellar systems, we introduced in <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref> a coarse-grained Wigner equation of the form<disp-formula id="e59">
<mml:math id="m444">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(59)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The effective collision term on the right hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="e59">Equation 59</xref> parameterizes the process of violent relaxation in terms of a Fokker&#x2013;Planck (Kramers) operator. Therefore, <xref ref-type="disp-formula" rid="e59">Equation 59</xref> can be called the Wigner&#x2013;Kramers equation.<xref ref-type="fn" rid="fn24">
<sup>24</sup>
</xref> The friction coefficient and the diffusion coefficient are linked by a form of Einstein relation <inline-formula id="inf386">
<mml:math id="m445">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> where <inline-formula id="inf387">
<mml:math id="m446">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an effective inverse temperature. The Einstein relation expresses the fluctuation&#x2013;dissipation theorem. At equilibrium, the diffusion and the friction balance each other, leading to a virialized state described by a Boltzmann-like distribution<disp-formula id="e60">
<mml:math id="m447">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(60)</label>
</disp-formula>which corresponds to the dilute (nondegenerate) limit of the Lynden&#x2013;Bell distribution (here <inline-formula id="inf388">
<mml:math id="m448">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the individual energy by unit of mass). The Boltzmann distribution from <xref ref-type="disp-formula" rid="e60">Equation 60</xref> can be interpreted as a maximum entropy state (most probable state) in the sense of <xref ref-type="bibr" rid="B215">Lynden-Bell (1967)</xref>.</p>
<p>The Wigner&#x2013;Kramers <xref ref-type="disp-formula" rid="e59">Equation 59</xref> well accounts for the core&#x2013;envelope structure of BECDM halos. The advection (Wigner) term on the left-hand side characterizes the quantum core (soliton) studied in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, while the collision (Kramers) term on the right-hand side characterizes the envelope. If we take into account tidal effects from other galaxies and use the fact that quantum effects are negligible in the envelope in an average sense (i.e., apart from the presence of granules considered in <xref ref-type="sec" rid="s7">Section 7</xref>), we can show that the distribution function governed by the Wigner&#x2013;Kramers <xref ref-type="disp-formula" rid="e59">Equation 59</xref> relaxes, in the envelope, toward the King distribution<disp-formula id="e61">
<mml:math id="m449">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(61)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e62">
<mml:math id="m450">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(62)</label>
</disp-formula>which is a truncated Boltzmann distribution (<xref ref-type="bibr" rid="B192">King, 1965</xref>). A more elaborate model would be the fermionic King model (<xref ref-type="bibr" rid="B67">Chavanis, 1998</xref>) taking into account the effects of degeneracy in the sense of Lynden&#x2013;Bell. These degeneracy effects arising from the coarse-grained Vlasov and Wigner equations are similar to those arising from the Pauli exclusion principle in quantum mechanics, but we will not consider them here (see <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>).</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> The connection between the wave description (in terms of <inline-formula id="inf389">
<mml:math id="m451">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and the kinetic description (in terms of <inline-formula id="inf390">
<mml:math id="m452">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) has been discussed in <xref ref-type="bibr" rid="B211">Lin et al. (2018)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B301">Yavetz et al. (2022)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B157">Galazo Garc&#xed;a et al. (2024)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B6">&#xc1;lvarez-Rios et al. (2024)</xref>. Using this connection, <xref ref-type="bibr" rid="B211">Lin et al. (2018)</xref> have shown that the time-average distribution function in the envelope of BECDM halos obtained in numerical simulations is well-fitted by the King (or fermionic King) model (<xref ref-type="bibr" rid="B67">Chavanis, 1998</xref>). This gives further support to the claims made in <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al. (2015a)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B65">Chavanis et al. (2015b)</xref> that the (fermionic) King model may be a good model for the envelope of DM halos (see below).</p>
</sec>
<sec id="s5-3">
<title>5.3 Hydrodynamic equations</title>
<p>We can derive a hierarchy of hydrodynamic equations by taking the successive moments of the Wigner&#x2013;Kramers <xref ref-type="disp-formula" rid="e59">Equation 59</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B63">Chavanis et al., 1996</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B227">Mocz et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis, 2022a</xref>), also called the quantum damped Jeans equations. With introduction of the density <inline-formula id="inf391">
<mml:math id="m453">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the velocity field <inline-formula id="inf392">
<mml:math id="m454">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the first moment returns the equation of continuity (<xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref>), and the second moment yields an equation of the form<disp-formula id="e63">
<mml:math id="m455">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(63)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf393">
<mml:math id="m456">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the pressure (or stress) tensor.</p>
<p>This hierarchy of equations can be closed by making a local thermodynamic equilibrium (LTE) approximation. In <xref ref-type="bibr" rid="B227">Mocz et al. (2018)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>, we argued heuristically that the pressure tensor <inline-formula id="inf394">
<mml:math id="m457">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has two components: a quantum pressure component like in <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equation 25</xref> and a thermal pressure component arising from the process of violent relaxation. Therefore, we proposed to approximate the pressure tensor in <xref ref-type="disp-formula" rid="e63">Equation 63</xref> by <inline-formula id="inf395">
<mml:math id="m458">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf396">
<mml:math id="m459">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the anisotropic quantum pressure tensor from <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Equation 24</xref> and <inline-formula id="inf397">
<mml:math id="m460">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the effective thermal pressure (in the sense of Lynden&#x2013;Bell) arising from the isothermal distribution from <xref ref-type="disp-formula" rid="e60">Equation 60</xref>. It is given by<disp-formula id="e64">
<mml:math id="m461">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(64)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Combining the previous results, and adding the pressure due to a possible self-interaction between the bosons, we deduce that the quantum hydrodynamic equations parameterizing the complex dynamics of BECDM halos in our model are<disp-formula id="e65">
<mml:math id="m462">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(65)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e66">
<mml:math id="m463">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(66)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the quantum damped Euler <xref ref-type="disp-formula" rid="e66">Equation 66</xref>, the friction term forces the system to relax toward an equilibrium state in which the pressure balances the gravitational attraction.<xref ref-type="fn" rid="fn25">
<sup>25</sup>
</xref> The resulting DM halo has a core&#x2013;envelope structure. The quantum pressure and the self-interaction pressure (in the repulsive case) stabilize the system against gravitational collapse and lead to a central density core (soliton) instead of a cusp. Quantum effects can thus solve the core&#x2013;cusp problem of CDM. On the other hand, quantum effects are negligible as a first approximation in the envelope. An isothermal envelope leads to flat rotation curves like in the CDM model.<xref ref-type="fn" rid="fn26">
<sup>26</sup>
</xref>
</p>
<p>Some comments are as follows:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(i) We note that the anisotropic quantum tensor from <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Equation 24</xref>, which is equivalent to the quantum potential from <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref>, can be interpreted as a stress tensor of the form <inline-formula id="inf398">
<mml:math id="m464">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> i.e., <inline-formula id="inf399">
<mml:math id="m465">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [see Appendix A of <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>]. This provides a physical interpretation of the quantum potential (or quantum tensor) in terms of kinetic theory.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(ii) To obtain the simple isothermal equation of state (<xref ref-type="disp-formula" rid="e64">Equation 64</xref>), we have assumed that the distribution function in the envelope can be represented by a Boltzmann-like distribution (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e60">Equation 60</xref>). We recall, however, that an isothermal distribution cannot be valid at infinitely large distances since it yields DM halos of infinite mass (<xref ref-type="bibr" rid="B52">Chandrasekhar, 1957</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Binney and Tremaine, 1987</xref>). In principle, we should use the King distribution function (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e61">Equations 61</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e62">62</xref>), or the fermionic King distribution function (<xref ref-type="bibr" rid="B67">Chavanis, 1998</xref>), for which the density drops to 0 at a finite radius. This would give a more complicated (nonlinear) equation of state, generalizing <xref ref-type="disp-formula" rid="e64">Equation 64</xref>, which would account for the fact that the envelope is not exactly isothermal. Actually, depending on the degree of central concentration, the King distribution evolves from a polytrope of index <inline-formula id="inf400">
<mml:math id="m466">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to an isothermal distribution <inline-formula id="inf401">
<mml:math id="m467">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Accordingly, the density of the envelope decreases as <inline-formula id="inf402">
<mml:math id="m468">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with an exponent evolving between <inline-formula id="inf403">
<mml:math id="m469">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2273;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (similar to H&#xe9;non&#x2019;s isochrone profile <xref ref-type="bibr" rid="B174">Henon (1959)</xref>) and <inline-formula id="inf404">
<mml:math id="m470">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (isothermal profile <xref ref-type="bibr" rid="B52">Chandrasekhar (1957)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B26">Binney and Tremaine (1987)</xref>), as shown in Figure 20 of <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al. (2015a)</xref>, before abruptly falling down to 0. This degree of freedom may account for a variety of envelopes (see <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn27">
<sup>27</sup>
</xref> In particular, at the critical point of instability (gravothermal catastrophe) discussed in <xref ref-type="sec" rid="s7-7">Section 7.7</xref>, the density slope is close to <inline-formula id="inf405">
<mml:math id="m471">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (similar to the modified Hubble profile (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Binney and Tremaine, 1987</xref>)) and the marginal King distribution resembles the Burkert profile (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Burkert, 1995</xref>) (see Figure 18 in <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al. (2015a)</xref> and Figure 1 in <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref>), which has a central core and decreases at large distances as <inline-formula id="inf406">
<mml:math id="m472">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> like the NFW profile (<xref ref-type="bibr" rid="B233">Navarro et al., 1996</xref>).</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(iii) We have closed the hierarchy of hydrodynamic equations at the level of the momentum equation (second moment) by assuming a uniform temperature <inline-formula id="inf407">
<mml:math id="m473">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (isothermal model). We can also consider a more general model with a space-dependent temperature <inline-formula id="inf408">
<mml:math id="m474">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and close the hierarchy of hydrodynamic equations at the level of the energy equation (third moment), as detailed in <xref ref-type="bibr" rid="B63">Chavanis et al. (1996)</xref> and in Appendix D.4 of <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>. This corresponds to a microcanonical (fixed energy) description instead of a canonical (fixed temperature) description.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Normalized density profiles of the classical King model in logarithmic scales for different values of the central concentration (adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al., 2015a</xref>). Dotted line: modified Hubble profile. Dashed line: Burkert profile. Dashed&#x2013;dotted line: H&#xe9;non&#x2019;s isochrone profile. The critical King profile is relatively close to the Burkert profile up to <inline-formula id="inf409">
<mml:math id="m475">
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al., 2015a</xref>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g009.tif"/>
</fig>
<p>
<italic>Remark:</italic> In the strong friction limit <inline-formula id="inf410">
<mml:math id="m476">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we can neglect the inertial term (l.h.s.) in the damped quantum Euler <xref ref-type="disp-formula" rid="e66">Equation 66</xref> and substitute the resulting equation into the continuity <xref ref-type="disp-formula" rid="e65">Equation 65</xref>, thereby obtaining the quantum Smoluchowski equation (<xref ref-type="bibr" rid="B74">Chavanis, 2011b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>)<disp-formula id="e67">
<mml:math id="m477">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(67)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The friction term in the damped quantum Euler equation, therefore, allows us to establish a link between quantum mechanics and Brownian theory. However, the strong friction limit is usually not relevant in astrophysics. Rather, the low friction limit is found relevant. Therefore, in the present context, the relation to Brownian theory is just formal (see <xref ref-type="bibr" rid="B108">Chavanis (2023a)</xref> for more details about the analogy between generalized equations in quantum mechanics and Brownian theory and for a short history of these topics).</p>
</sec>
<sec id="s5-4">
<title>5.4 Generalized wave equation</title>
<p>Based on the aforementioned results derived from the coarse-grained Wigner (or Wigner&#x2013;Kramers) equation, we have introduced a generalized wave equation (<xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis, 2022a</xref>)<disp-formula id="e68">
<mml:math id="m478">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="3em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(68)</label>
</disp-formula>which is equivalent through the Madelung transformation to the damped Euler <xref ref-type="disp-formula" rid="e65">Equations 65</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e66">66</xref>. This wave equation can be viewed as a generalized GP equation that includes a thermal term and a friction term resulting from the processes of gravitational cooling and violent relaxation. The thermal term, which is associated to the isothermal equation of state (<xref ref-type="disp-formula" rid="e64">Equation 64</xref>), is equivalent to a logarithmic potential<disp-formula id="e69">
<mml:math id="m479">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(69)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The friction term also leads to a logarithmic nonlinearity but of a different nature.</p>
<p>Interestingly, we can derive this generalized wave equation (in the noninteracting case) from a completely different formalism based on Nottale&#x2019;s theory of scale relativity (<xref ref-type="bibr" rid="B238">Nottale, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B86">Chavanis, 2017a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B88">Chavanis, 2018a</xref>). We know that the Schr&#xf6;dinger equation can be derived from Newton&#x2019;s equation by using a principle of scale covariance (<xref ref-type="bibr" rid="B238">Nottale, 2011</xref>). Similarly, the generalized wave <xref ref-type="disp-formula" rid="e68">Equation 68</xref> can be derived from Newton&#x2019;s equation with a linear friction by writing it under the form (<xref ref-type="bibr" rid="B86">Chavanis, 2017a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B88">Chavanis, 2018a</xref>)<disp-formula id="e70">
<mml:math id="m480">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(70)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf411">
<mml:math id="m481">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a scale-covariant derivative, <inline-formula id="inf412">
<mml:math id="m482">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a complex velocity field, and <inline-formula id="inf413">
<mml:math id="m483">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a complex friction coefficient. The real part in <xref ref-type="disp-formula" rid="e70">Equation 70</xref> is necessary to satisfy the conservation of the normalization condition. After simple algebraic manipulations (see <xref ref-type="bibr" rid="B86">Chavanis (2017a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B88">Chavanis (2018a)</xref> for details), one can show that <xref ref-type="disp-formula" rid="e70">Equation 70</xref> is equivalent to <xref ref-type="disp-formula" rid="e68">Equation 68</xref>, where the friction and thermal terms are related to the real and imaginary parts of the complex friction coefficient, respectively. This generalized wave equation (and its relativistic extension) can also be justified from Nelson&#x2019;s stochastic quantum mechanics (<xref ref-type="bibr" rid="B234">Nelson, 1966</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B112">Chavanis, 2024a</xref>; Chavanis, In preparation). In these stochastic approaches, the source of the noise giving rise to quantum mechanics may have several origins. In Nottale&#x2019;s theory, it is due to the structure of spacetime itself or to a chaotic dynamics that makes the trajectories of the particles nondifferentiable. In Nelson&#x2019;s theory, the source of the noise is left unspecified, but some authors have suggested that it could be related to the fluctuations of the electromagnetic field (zero point energy), leading to the concept of stochastic electrodynamics (<xref ref-type="bibr" rid="B126">de la Pe&#xf1;a et al., 2015</xref>). Alternatively, it may be due to the fluctuations of the gravitational field or to the fluctuations of the metric in general relativity (<xref ref-type="bibr" rid="B45">Calogero, 1997</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B151">Feynman et al., 1995</xref>). Therefore, quantum mechanics may have a stochastic interpretation (see <xref ref-type="bibr" rid="B112">Chavanis (2024a)</xref> for a more detailed discussion and for additional references). These theories have been used to determine the Planck constant in terms of cosmological quantities or, conversely, to provide an explanation for the mysterious <xref ref-type="bibr" rid="B144">Eddington (1931)</xref> relation<xref ref-type="fn" rid="fn28">
<sup>28</sup>
</xref>
<disp-formula id="e71">
<mml:math id="m484">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.36</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>52</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(71)</label>
</disp-formula>between the cosmological constant (vacuum energy) and the mass of the electron <inline-formula id="inf414">
<mml:math id="m485">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>9.11</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>28</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.511</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6 Predictive model of BECDM halos</title>
<p>In this section, following <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, we develop a predictive model of BECDM halos with a core&#x2013;envelope structure.</p>
<sec id="s6-1">
<title>6.1 Equilibrium state</title>
<p>An equilibrium state of the generalized GPP <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equations 9</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e68">68</xref> (equivalent to <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equations 19</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e65">65</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e66">66</xref>) is determined, in the hydrodynamic representation, by the condition of quantum hydrostatic equilibrium from <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Equation 26</xref>, where the pressure <inline-formula id="inf415">
<mml:math id="m486">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> contains a thermal term and a self-interaction term. For the standard BEC, we obtain an equation of state of the form (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis, 2022a</xref>)<disp-formula id="e72">
<mml:math id="m487">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(72)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It has a linear part <inline-formula id="inf416">
<mml:math id="m488">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a quadratic part <inline-formula id="inf417">
<mml:math id="m489">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The linear part corresponds to an isothermal equation of state with an (effective) temperature <inline-formula id="inf418">
<mml:math id="m490">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It takes into account the process of violent relaxation. The quadratic part corresponds to a polytropic equation of state with index <inline-formula id="inf419">
<mml:math id="m491">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It takes into account the self-interaction of the bosons. The condition of quantum hydrostatic equilibrium describes the balance between the thermal pressure, the pressure due to the self-interaction of the bosons, the gravitational force, and the quantum force arising from the Heisenberg uncertainty principle. For the standard BEC, the fundamental differential <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 27</xref> of quantum hydrostatic equilibrium is<disp-formula id="e73">
<mml:math id="m492">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(73)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It can be expressed under the form of a generalized Lane&#x2013;Emden equation (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis, 2022a</xref>). The quadratic equation of state and the quantum potential dominate in the core where the density is high, and the isothermal (linear) equation of state dominates in the envelope where the density is low. As a result, the BECDM halo presents a quantum core (soliton) surrounded by an isothermal envelope. This composite model of BECDM halos with a core&#x2013;envelope structure has been studied in detail in <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>.<xref ref-type="fn" rid="fn29">
<sup>29</sup>
</xref>
</p>
<p>In the quantum core, we can ignore the thermal pressure, and we recover the equations of <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> describing the soliton. The equilibrium of the core is due to the balance between the self-interaction pressure, the quantum pressure, and the gravitational attraction. The quantum core (soliton), which is the ground state of the GPP equations, may solve the core&#x2013;cusp problem of CDM. The core mass&#x2013;radius relation is given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equation 33</xref>.</p>
<p>In the envelope, we can ignore quantum effects as well as the self-interaction of the bosons, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e73">Equation 73</xref> reduces to<disp-formula id="e74">
<mml:math id="m493">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(74)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This equation is equivalent to the Boltzmann&#x2013;Poisson (or Emden) equation, which describes a classical self-gravitating isothermal gas (<xref ref-type="bibr" rid="B52">Chandrasekhar, 1957</xref>). The equilibrium of the envelope is due to the balance between the effective thermal pressure and the gravitational attraction. The Boltzmann&#x2013;Poisson (or Emden) equation has no simple analytical solution and must be solved numerically. However, its asymptotic behavior is known analytically (<xref ref-type="bibr" rid="B52">Chandrasekhar, 1957</xref>). The density of a self-gravitating isothermal halo decreases as <inline-formula id="inf420">
<mml:math id="m494">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf421">
<mml:math id="m495">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, corresponding to an accumulated mass <inline-formula id="inf422">
<mml:math id="m496">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increasing linearly with <inline-formula id="inf423">
<mml:math id="m497">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This leads to flat rotation curves <inline-formula id="inf424">
<mml:math id="m498">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in qualitative agreement with the observations. Therefore, the approximately isothermal envelope, resulting from the quantum interferences of the excited states, is similar to the NFW envelope of classical CDM halos and accounts for the flat rotation curves of the galaxies.</p>
<p>The equilibrium state of a BECDM halo can also be obtained by maximizing the Lynden&#x2013;Bell entropy at fixed mass and energy (<xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis, 2022a</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn30">
<sup>30</sup>
</xref> This variational principle determines the most probable state of the system. It directly leads to <xref ref-type="disp-formula" rid="e73">Equation 73</xref> and provides, in addition, a condition of thermodynamical stability: Only BECDM halos that are entropy <italic>maxima</italic> at fixed mass and energy are thermodynamically stable in the sense of Lynden&#x2013;Bell. Actually, the statistical mechanics of self-gravitating systems is complicated because of incomplete relaxation, evaporation, and the gravothermal catastrophe (see <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref> and the reviews <xref ref-type="bibr" rid="B246">Padmanabhan (1990)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B187">Katz (2003)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B70">Chavanis (2006)</xref> for more details of these issues).<xref ref-type="fn" rid="fn31">
<sup>31</sup>
</xref>
</p>
<p>The differential <xref ref-type="disp-formula" rid="e73">Equation 73</xref> has been solved numerically in <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B88">Chavanis (2018a)</xref>. A density profile with a core&#x2013;envelope structure is represented in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Density profile of a DM halo of mass <inline-formula id="inf425">
<mml:math id="m499">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the typical mass of the Milky Way). The full line corresponds to the core&#x2013;envelope solution of the BECDM model in the TF limit with <inline-formula id="inf426">
<mml:math id="m500">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.28</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The dashed line corresponds to the purely isothermal solution without the quantum core. We see that the two profiles approximately match each other for <inline-formula id="inf427">
<mml:math id="m501">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2273;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As discussed in <xref ref-type="sec" rid="s5-3">Section 5.3</xref>, the isothermal envelope should be replaced by a more general King profile.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g010.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s6-2">
<title>6.2 Halo mass&#x2013;radius relation</title>
<p>To determine the halo mass&#x2013;radius relation, we use the observational evidence that the surface density of DM halos has the universal value (<xref ref-type="bibr" rid="B195">Kormendy et al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B279">Spano et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B136">Donato et al., 2009</xref>)<disp-formula id="e75">
<mml:math id="m502">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>obs</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>14</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>52</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>83</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(75)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf428">
<mml:math id="m503">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the central density and <inline-formula id="inf429">
<mml:math id="m504">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the halo radius, where the central density is divided by 4, i.e., such that <inline-formula id="inf430">
<mml:math id="m505">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In the case of BECDM halos, we must be careful to correctly define what we call the &#x201c;central&#x201d; density. If we were to apply the relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e75">Equation 75</xref> to the quantum core (soliton) of BECDM halos with <inline-formula id="inf431">
<mml:math id="m506">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> being the true central density at <inline-formula id="inf432">
<mml:math id="m507">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we would encounter a problem because the mass&#x2013;radius relation of the soliton is not consistent with a universal surface density [see Appendix L of <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref> and Sec. IX of <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref>].<xref ref-type="fn" rid="fn32">
<sup>32</sup>
</xref> Indeed, in the noninteracting case, the mass&#x2013;radius relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equation 34</xref> implies <inline-formula id="inf433">
<mml:math id="m508">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and in the TF limit, the relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Equation 35</xref> implies <inline-formula id="inf434">
<mml:math id="m509">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<xref ref-type="fn" rid="fn33">
<sup>33</sup>
</xref> These scalings suggest that the surface density of DM halos increases with the mass <inline-formula id="inf435">
<mml:math id="m510">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> instead of being constant. This problem was first mentioned in <xref ref-type="bibr" rid="B65">Chavanis et al. (2015b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref>, and it has also been pointed out later by other authors (<xref ref-type="bibr" rid="B128">Deng et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B44">Burkert, 2020</xref>). Following Sec. VII of <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, we shall assume that the relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e75">Equation 75</xref> applies to the envelope surrounding the soliton. In that case, <inline-formula id="inf436">
<mml:math id="m511">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is not the true central density (i.e., the central density of the soliton) but the density of the envelope at the contact with the soliton.</p>
<p>Assuming that the envelope is isothermal, we obtain the halo mass&#x2013;radius relation (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis, 2022g</xref>)<disp-formula id="e76">
<mml:math id="m512">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.76</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(76)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We also find that <inline-formula id="inf437">
<mml:math id="m513">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.954</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.719</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. These scalings can be obtained qualitatively from the relations <inline-formula id="inf438">
<mml:math id="m514">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf439">
<mml:math id="m515">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. If the envelope is not exactly isothermal (see the comment (ii) in <xref ref-type="sec" rid="s5-3">Section 5.3</xref>), we would obtain a halo mass&#x2013;radius relation similar to <xref ref-type="disp-formula" rid="e76">Equation 76</xref> but with a slightly different prefactor.</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> In the isothermal envelope model, the temperature must change from halo to halo according to the law <inline-formula id="inf440">
<mml:math id="m516">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see above) in order to yield a universal surface density. Alternatively, a universal surface density directly results from a logotropic equation of state of the form <inline-formula id="inf441">
<mml:math id="m517">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with an &#x201c;effective temperature&#x201d; <inline-formula id="inf442">
<mml:math id="m518">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> which is the same for all the halos. The logotropic DM model has been introduced and studied in <xref ref-type="bibr" rid="B81">Chavanis (2015b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B85">Chavanis (2016b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B57">Chavanis and Kumar (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B92">Chavanis (2019c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B103">Chavanis (2022c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B105">Chavanis (2022e)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B106">Chavanis (2022f)</xref>. Interestingly, this model provides a prediction of the value of the universal surface density <inline-formula id="inf443">
<mml:math id="m519">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> without the free parameter. Specifically, <inline-formula id="inf444">
<mml:math id="m520">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed in terms of the cosmological constant as<disp-formula id="e77">
<mml:math id="m521">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.01955</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>133</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(77)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf445">
<mml:math id="m522">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6792</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the surface density of the universe (<xref ref-type="bibr" rid="B113">Chavanis, 2024b</xref>). The prefactor in <xref ref-type="disp-formula" rid="e77">Equation 77</xref> is predicted by the logotropic model. Remarkably, this theoretical prediction is in very good agreement with the observational value from <xref ref-type="disp-formula" rid="e75">Equation 75</xref>. Furthermore, as noted in <xref ref-type="bibr" rid="B92">Chavanis (2019c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B106">Chavanis (2022f)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B113">Chavanis (2024b)</xref>, the surface density of DM halos turns out to be of the same order as the surface density of the electron<disp-formula id="e78">
<mml:math id="m523">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>54.9</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(78)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf446">
<mml:math id="m524">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>9.11</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>28</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.511</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mass of the electron and <inline-formula id="inf447">
<mml:math id="m525">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.82</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the classical electron radius defined by <inline-formula id="inf448">
<mml:math id="m526">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. If we identify the two expressions <xref ref-type="disp-formula" rid="e77">Equations 77</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e78">78</xref>, writing <inline-formula id="inf449">
<mml:math id="m527">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain the Eddington relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e71">Equation 71</xref> in order of magnitude. Conversely, using the accurate Eddington relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="e71">Equation 71</xref>) from <xref ref-type="bibr" rid="B92">Chavanis (2019c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B106">Chavanis (2022f)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B113">Chavanis (2024b)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B114">Chavanis (2024c)</xref>, we find that <inline-formula id="inf450">
<mml:math id="m528">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mn>0.373</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B114">Chavanis, 2024c</xref>). This relation may also be interpreted in terms of the holographic principle (<xref ref-type="bibr" rid="B92">Chavanis, 2019c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B113">Chavanis, 2024b</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s6-3">
<title>6.3 Core mass&#x2013;halo mass relation</title>
<p>An important challenge of the BECDM model is to predict the relation between the core mass <inline-formula id="inf451">
<mml:math id="m529">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the halo mass <inline-formula id="inf452">
<mml:math id="m530">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis (2020a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>, we have derived the core mass&#x2013;halo mass relation of BECDM halos (without or with the presence of a central black hole) from a thermodynamical approach. We have obtained a general relation <inline-formula id="inf453">
<mml:math id="m531">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> valid for bosons with a repulsive or an attractive self-interaction (or no self-interaction), and also for fermions. To obtain this relation, we have first shown <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref> that the maximization of the Lynden&#x2013;Bell entropy at fixed mass and energy (most probable state in the microcanonical ensemble) leads to the &#x201c;velocity dispersion tracing relation&#x201d; according to which the velocity dispersion in the core <inline-formula id="inf454">
<mml:math id="m532">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is of the same order as the velocity dispersion in the halo <inline-formula id="inf455">
<mml:math id="m533">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This relation can be written as<xref ref-type="fn" rid="fn34">
<sup>34</sup>
</xref>
<disp-formula id="e79">
<mml:math id="m534">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(79)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Combining the velocity dispersion tracing relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e79">Equation 79</xref> with the core mass&#x2013;radius relation <inline-formula id="inf456">
<mml:math id="m535">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Equation 33</xref> and with the halo mass&#x2013;radius relation <inline-formula id="inf457">
<mml:math id="m536">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e76">Equation 76</xref>, we obtain the core mass&#x2013;halo mass relation <inline-formula id="inf458">
<mml:math id="m537">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under the form<xref ref-type="fn" rid="fn35">
<sup>35</sup>
</xref>
<disp-formula id="e80">
<mml:math id="m538">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.23</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1.06</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(80)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Writing <inline-formula id="inf459">
<mml:math id="m539">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the minimum halo (pure soliton without envelope), we obtain the equation<disp-formula id="e81">
<mml:math id="m540">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.99</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1.06</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(81)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This equation determines the mass <inline-formula id="inf460">
<mml:math id="m541">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the minimum halo as a function of <inline-formula id="inf461">
<mml:math id="m542">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf462">
<mml:math id="m543">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Conversely, for a given value of <inline-formula id="inf463">
<mml:math id="m544">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> deduced from the observations (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>), it provides a relation between <inline-formula id="inf464">
<mml:math id="m545">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf465">
<mml:math id="m546">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis, 2019a</xref>). This leads to results qualitatively equivalent to those of <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref> since the values of <inline-formula id="inf466">
<mml:math id="m547">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf467">
<mml:math id="m548">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> adopted in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> for the minimum halo are consistent with the relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e75">Equation 75</xref> (see <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref> for a detailed discussion).</p>
<p>For noninteracting bosons, the core mass&#x2013;halo mass relation is<disp-formula id="e82">
<mml:math id="m549">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.23</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(82)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For <inline-formula id="inf468">
<mml:math id="m550">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we find from <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equations 1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e81">81</xref> that the mass of the boson is <inline-formula id="inf469">
<mml:math id="m551">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.25</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For a DM halo of mass <inline-formula id="inf470">
<mml:math id="m552">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> similar to the one that surrounds our galaxy, we obtain a core mass <inline-formula id="inf471">
<mml:math id="m553">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a core radius <inline-formula id="inf472">
<mml:math id="m554">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>63.5</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>For bosons with a repulsive self-interaction in the TF limit, the core mass&#x2013;halo mass relation is<disp-formula id="e83">
<mml:math id="m555">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.30</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(83)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Note that the core radius <inline-formula id="inf473">
<mml:math id="m556">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> does not change with <inline-formula id="inf474">
<mml:math id="m557">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Equation 35</xref>). In the TF limit, we find from <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equations 1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e81">81</xref> that <inline-formula id="inf475">
<mml:math id="m558">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.35</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For a DM halo of mass <inline-formula id="inf476">
<mml:math id="m559">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> similar to the one that surrounds our galaxy, we obtain a core mass <inline-formula id="inf477">
<mml:math id="m560">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a core radius <inline-formula id="inf478">
<mml:math id="m561">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>635</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In these two examples, the quantum core represents a bulge or a nucleus. It cannot mimic an SMBH because it is too much extended <inline-formula id="inf479">
<mml:math id="m562">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A central SMBH like Sagittarius A&#x2a; (see <xref ref-type="sec" rid="s6-8">Section 6.8</xref>) has to be introduced by hand in the model (<xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis, 2020a</xref>).</p>
<p>The general core mass&#x2013;halo mass relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e80">Equation 80</xref> is plotted in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> adapted from <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref> for an arbitrary (repulsive or attractive) self-interaction.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>Core mass <inline-formula id="inf480">
<mml:math id="m563">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of the halo mass <inline-formula id="inf481">
<mml:math id="m564">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for different values of <inline-formula id="inf482">
<mml:math id="m565">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf483">
<mml:math id="m566">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is determined by <xref ref-type="disp-formula" rid="e81">Equation 81</xref>). The mass is normalized by <inline-formula id="inf484">
<mml:math id="m567">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (typically <inline-formula id="inf485">
<mml:math id="m568">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). We have plotted the position of the minimum halo mass <inline-formula id="inf486">
<mml:math id="m569">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (common origin) and the position of the maximum halo mass <inline-formula id="inf487">
<mml:math id="m570">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (bullets) above which the quantum core becomes unstable when <inline-formula id="inf488">
<mml:math id="m571">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s6-5">Section 6.5</xref>). We have indicated the curve corresponding to the noninteracting case (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e82">Equation 82</xref>) and the curve corresponding to the TF limit (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e83">Equation 83</xref>). The transition between these two regimes occurs at a ratio <inline-formula id="inf489">
<mml:math id="m572">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a given halo or at a halo mass <inline-formula id="inf490">
<mml:math id="m573">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for given particle parameters.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g011.tif"/>
</fig>
<p>
<italic>Remark:</italic> Our results (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis, 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis, 2020a</xref>) have been rederived and confirmed by <xref ref-type="bibr" rid="B243">Padilla et al. (2021)</xref> repeating the same arguments (compare Figure 2 in <xref ref-type="bibr" rid="B243">Padilla et al. (2021)</xref> to Fig. 19 in <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref>). Their scalings appear different from ours at first sight because their relations are expressed in terms of the virial mass instead of the halo mass (see <xref ref-type="sec" rid="s6-6">Section 6.6</xref>), but the results turn out to be fully equivalent.</p>
</sec>
<sec id="s6-4">
<title>6.4 Collapse toward a black hole?</title>
<p>In the case of BECDM halos made of bosons with a repulsive self-interaction (or no self-interaction), the mass of the quantum core (soliton) increases monotonically with the halo mass (see <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>). Therefore, for sufficiently large halos, the core mass <inline-formula id="inf491">
<mml:math id="m574">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will overcome the maximum mass <inline-formula id="inf492">
<mml:math id="m575">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> set by general relativity (see <xref ref-type="sec" rid="s4-5">Section 4.5</xref>) and collapse toward a black hole. Let us see if this scenario is possible in practice.</p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Equations 45</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">47</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e82">82</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e83">83</xref>, the mass of the soliton would be equal to the general relativistic maximum mass <inline-formula id="inf493">
<mml:math id="m576">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a DM halo of mass<disp-formula id="e84">
<mml:math id="m577">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.09</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(84)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Strikingly, this expression is independent of the characteristics of the DM particle (<xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis, 2020a</xref>). Such a large halo mass is clearly unrealistic (the biggest DM halos observed in the universe have a mass <inline-formula id="inf494">
<mml:math id="m578">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Actually, using the relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e77">Equation 77</xref>, we see that the mass from <xref ref-type="disp-formula" rid="e84">Equation 84</xref> is of the order of the mass of the universe <inline-formula id="inf495">
<mml:math id="m579">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6.43</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B113">Chavanis, 2024b</xref>). Therefore, the quantum core present at the center of a BECDM halo with a repulsive self-interaction (or no self-interaction) is always much below the general relativistic maximum mass, so it can never collapse toward a black hole by this process of violent relaxation.<xref ref-type="fn" rid="fn36">
<sup>36</sup>
</xref> This conclusion was first reached in Appendix C of <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis (2020a)</xref> and recovered later in <xref ref-type="bibr" rid="B243">Padilla et al. (2021)</xref> in a less direct manner. Since <inline-formula id="inf496">
<mml:math id="m580">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in all realistic DM halos, a nonrelativistic approach is justified to describe BECDM halos (see <xref ref-type="sec" rid="s7-7">Section 7.7</xref> for another scenario where general relativistic effects may be important).</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> When these arguments are applied to the context of inflaton clusters that could form in the very early universe (<xref ref-type="bibr" rid="B232">Musoke et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B235">Niemeyer and Easther, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B146">Eggemeier et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B147">Eggemeier et al., 2022</xref>) it is possible that the solitonic cores (inflaton stars) of sufficiently massive inflaton clusters may overcome the critical mass <inline-formula id="inf497">
<mml:math id="m581">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> set by general relativity and lead to the formation of primordial black holes (PBHs), as discussed in <xref ref-type="bibr" rid="B244">Padilla et al. (2022)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s6-5">
<title>6.5 Collapse toward a dense axion star?</title>
<p>In the case of BECDM halos made of bosons with an attractive self-interaction (axions), the core mass&#x2013;halo mass relation (see <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>) presents a maximum when the quantum core mass (dilute axion star) reaches the critical value from <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Equation 37</xref>, at which it becomes unstable and collapses (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn37">
<sup>37</sup>
</xref> According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Equations 37</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e80">80</xref>, the collapse of the core, leading to the formation of a dense axion star, a bosenova, or a black hole (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Braaten et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B120">Davidson and Schwetz, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B119">Cotner, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B137">Eby et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B206">Levkov et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B173">Helfer et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis, 2018b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B296">Visinelli et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B225">Michel and Moss, 2018</xref>) occurs in a DM halo of mass<disp-formula id="e85">
<mml:math id="m582">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.223</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>141</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2255</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(85)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We note that the maximum halo mass <inline-formula id="inf498">
<mml:math id="m583">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depends only on <inline-formula id="inf499">
<mml:math id="m584">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> while the maximum core mass <inline-formula id="inf500">
<mml:math id="m585">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">Equation 43</xref> depends on <inline-formula id="inf501">
<mml:math id="m586">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf502">
<mml:math id="m587">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. On the other hand, the maximum core mass <inline-formula id="inf503">
<mml:math id="m588">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depends only on <inline-formula id="inf504">
<mml:math id="m589">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while the maximum halo mass <inline-formula id="inf505">
<mml:math id="m590">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depends on <inline-formula id="inf506">
<mml:math id="m591">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf507">
<mml:math id="m592">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>For this phase transition (collapse) to take place in practice, the critical halo mass <inline-formula id="inf508">
<mml:math id="m593">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> must be smaller than the mass <inline-formula id="inf509">
<mml:math id="m594">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the biggest halos observed in the universe. This requires that <inline-formula id="inf510">
<mml:math id="m595">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>4.22</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (corresponding to <inline-formula id="inf511">
<mml:math id="m596">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1.10</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>80</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf512">
<mml:math id="m597">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1.40</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>94</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf513">
<mml:math id="m598">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The collapse of the quantum core above the maximum mass <inline-formula id="inf514">
<mml:math id="m599">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <inline-formula id="inf515">
<mml:math id="m600">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf516">
<mml:math id="m601">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has been evidenced in the numerical simulations of <xref ref-type="bibr" rid="B230">Mocz et al. (2023)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B247">Painter et al. (2024)</xref> (see <xref ref-type="bibr" rid="B115">Chen et al. (2021)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B116">Chen et al. (2022)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B162">Glennon and Prescod-Weinstein (2021)</xref> in a different context). However, it is not quite clear if such small values of <inline-formula id="inf517">
<mml:math id="m602">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are allowed in practice (see the discussion in <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>). Indeed, the constraints from particle physics and cosmology (see footnote 19) suggest that <inline-formula id="inf518">
<mml:math id="m603">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> should be larger than <inline-formula id="inf519">
<mml:math id="m604">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (corresponding to <inline-formula id="inf520">
<mml:math id="m605">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1.96</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>81</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf521">
<mml:math id="m606">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>95</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf522">
<mml:math id="m607">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), so we do not expect the collapse of the core to occur in realistic DM halos of mass <inline-formula id="inf523">
<mml:math id="m608">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For example, taking <inline-formula id="inf524">
<mml:math id="m609">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf525">
<mml:math id="m610">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.34</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see above), and considering a DM halo of mass <inline-formula id="inf526">
<mml:math id="m611">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the typical mass of the Milky Way), we find <inline-formula id="inf527">
<mml:math id="m612">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7.69</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> well below the maximum mass <inline-formula id="inf528">
<mml:math id="m613">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.10</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, even if <inline-formula id="inf529">
<mml:math id="m614">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> initially, the core mass can increase by accretion, reach the maximum mass, and collapse (see footnote 20 and the conclusion for references on this topic). This is a point to be studied in more detail in future works.</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> For <inline-formula id="inf530">
<mml:math id="m615">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.19</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf531">
<mml:math id="m616">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.97</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (corresponding to <inline-formula id="inf532">
<mml:math id="m617">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.11</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>62</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf533">
<mml:math id="m618">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3.07</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>91</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), we find <inline-formula id="inf534">
<mml:math id="m619">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf535">
<mml:math id="m620">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This corresponds to the condition of marginal stability of the minimum halo (see <xref ref-type="sec" rid="s4-3">Section 4.3</xref>), implying that the quantum core of all the DM halos <inline-formula id="inf536">
<mml:math id="m621">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would be unstable in that case. For <inline-formula id="inf537">
<mml:math id="m622">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf538">
<mml:math id="m623">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.34</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (corresponding to <inline-formula id="inf539">
<mml:math id="m624">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.09</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>64</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf540">
<mml:math id="m625">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.39</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>93</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), we find <inline-formula id="inf541">
<mml:math id="m626">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the typical mass of the Milky Way), <inline-formula id="inf542">
<mml:math id="m627">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf543">
<mml:math id="m628">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>300</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This corresponds to the situation where the quantum core of a DM halo similar to the one that surrounds our galaxy would become unstable.</p>
</sec>
<sec id="s6-6">
<title>6.6 Virial mass</title>
<p>In the previous sections, we have defined the halo mass <inline-formula id="inf544">
<mml:math id="m629">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the halo radius <inline-formula id="inf545">
<mml:math id="m630">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that <inline-formula id="inf546">
<mml:math id="m631">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the distance at which the central density is divided by 4. This corresponds to the definition given by <xref ref-type="bibr" rid="B43">Burkert (1995)</xref>. Some authors (<xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al., 2014b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B243">Padilla et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B244">Padilla et al., 2022</xref>) use another definition of the halo mass and halo radius. They introduce the virial mass <inline-formula id="inf547">
<mml:math id="m632">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the virial radius <inline-formula id="inf548">
<mml:math id="m633">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through the relation <inline-formula id="inf549">
<mml:math id="m634">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>200</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf550">
<mml:math id="m635">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>200</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>200</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is 200 times the background density <inline-formula id="inf551">
<mml:math id="m636">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the universe. Using <inline-formula id="inf552">
<mml:math id="m637">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in consistency with <xref ref-type="disp-formula" rid="e79">Equation 79</xref>, and combining this relation with <xref ref-type="disp-formula" rid="e76">Equation 76</xref>, we obtain<disp-formula id="e86">
<mml:math id="m638">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.76</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>200</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(86)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Numerically, <inline-formula id="inf553">
<mml:math id="m639">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6.01</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The relation between the halo mass <inline-formula id="inf554">
<mml:math id="m640">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the virial mass <inline-formula id="inf555">
<mml:math id="m641">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exhibits the scaling <inline-formula id="inf556">
<mml:math id="m642">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis, 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis, 2020a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>). We can use this relation to express the previous results in terms of <inline-formula id="inf557">
<mml:math id="m643">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> instead of <inline-formula id="inf558">
<mml:math id="m644">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In particular, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e82">Equations 82</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e86">86</xref>, we find <inline-formula id="inf559">
<mml:math id="m645">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for noninteracting bosons in agreement with the original result of <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al. (2014b)</xref> obtained from direct numerical simulations and heuristic arguments. On the other hand, for bosons with a repulsive self-interaction in the TF limit, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e83">Equations 83</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e86">86</xref>, we predict that <inline-formula id="inf560">
<mml:math id="m646">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis, 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis, 2020a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>), a result that has not yet been tested. The validity of these scalings has been criticized by some authors, and the universality or nonuniversality of the core mass&#x2013;halo mass relation for BECDM halos remains an open problem (see the review in Sec. II.B of <xref ref-type="bibr" rid="B303">Zagorac et al. (2023)</xref> for a detailed discussion and a complete list of references). For example, some authors (<xref ref-type="bibr" rid="B226">Mocz et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Bar et al., 2018</xref>) have proposed an &#x201c;energy tracing relation&#x201d; <inline-formula id="inf561">
<mml:math id="m647">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> instead of the velocity tracing relation <inline-formula id="inf562">
<mml:math id="m648">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s6-7">
<title>6.7 Fermionic DM halos</title>
<p>Although this review is devoted to the case of bosonic DM, we briefly mention in this section what the previous results become in the case of fermionic DM.</p>
<p>For degenerate fermions, the pressure is due to the Pauli exclusion principle. The equation of state of a nonrelativistic Fermi gas at <inline-formula id="inf563">
<mml:math id="m649">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reads<disp-formula id="e87">
<mml:math id="m650">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(87)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This is a polytropic equation of state of index <inline-formula id="inf564">
<mml:math id="m651">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (i.e., <inline-formula id="inf565">
<mml:math id="m652">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The density profile of a fermion ball (the counterpart of the soliton) is determined by the differential equation (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equations 27</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e87">87</xref>)<disp-formula id="e88">
<mml:math id="m653">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(88)</label>
</disp-formula>which is equivalent to the Lane&#x2013;Emden equation of index <inline-formula id="inf566">
<mml:math id="m654">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (for fermionic DM halos, the TF approximation is an excellent approximation) (<xref ref-type="bibr" rid="B52">Chandrasekhar, 1957</xref>). The density profile has a compact support. The mass&#x2013;radius relation of a fermion ball reads<disp-formula id="e89">
<mml:math id="m655">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>91.9</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(89)</label>
</disp-formula>The radius decreases monotonically as the mass increases. An equilibrium state exists for any mass <inline-formula id="inf567">
<mml:math id="m656">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and it is dynamically stable (using the Ledoux formula, the squared pulsation is given by <inline-formula id="inf568">
<mml:math id="m657">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.40</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). If we apply <xref ref-type="disp-formula" rid="e89">Equation 89</xref> to the minimum halo of typical mass <inline-formula id="inf569">
<mml:math id="m658">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and typical radius <inline-formula id="inf570">
<mml:math id="m659">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we get <inline-formula id="inf571">
<mml:math id="m660">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>170</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>). The mass of a fermionic DM particle is larger than the mass of a bosonic DM particle by a factor <inline-formula id="inf572">
<mml:math id="m661">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>30</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B113">Chavanis, 2024b</xref>).</p>
<p>The maximum mass and the minimum radius of a fermion star at <inline-formula id="inf573">
<mml:math id="m662">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> set by general relativity are<disp-formula id="e90">
<mml:math id="m663">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.384</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.384</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(90)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e91">
<mml:math id="m664">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.35</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8.73</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(91)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>These results were first obtained in the case of neutron stars (<xref ref-type="bibr" rid="B241">Oppenheimer and Volkoff, 1939</xref>). The scalings of <xref ref-type="disp-formula" rid="e90">Equations 90</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e91">91</xref> can be obtained qualitatively by equating the mass&#x2013;radius relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e89">Equation 89</xref> with the Schwarzschild relation <inline-formula id="inf574">
<mml:math id="m665">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> as explained in Appendix B of <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>. The same scalings are obtained for special relativistic white dwarf stars (<xref ref-type="bibr" rid="B48">Chandrasekhar, 1931</xref>). For <inline-formula id="inf575">
<mml:math id="m666">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (nucleon mass), the maximum mass <inline-formula id="inf576">
<mml:math id="m667">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is of the order of the solar mass. This is the typical mass of white dwarfs and neutron stars. For a DM fermion of mass <inline-formula id="inf577">
<mml:math id="m668">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>170</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see above), one obtains <inline-formula id="inf578">
<mml:math id="m669">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.17</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf579">
<mml:math id="m670">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8.85</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The core mass&#x2013;halo mass relation is (<xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>)<disp-formula id="e92">
<mml:math id="m671">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.83</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(92)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It terms of the virial mass we have <inline-formula id="inf580">
<mml:math id="m672">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For a DM halo of mass <inline-formula id="inf581">
<mml:math id="m673">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> similar to the one that surrounds our galaxy, using <inline-formula id="inf582">
<mml:math id="m674">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>170</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see above), we obtain a core mass <inline-formula id="inf583">
<mml:math id="m675">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.47</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and a core radius <inline-formula id="inf584">
<mml:math id="m676">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>284</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The quantum core represents a bulge or a nucleus. It cannot mimic an SMBH because it is too much extended <inline-formula id="inf585">
<mml:math id="m677">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Like in <xref ref-type="sec" rid="s6-4">Section 6.4</xref>, we can show that the quantum core (fermion ball) present at the center of a realistic fermionic DM halo is always below the general relativistic maximum mass from <xref ref-type="disp-formula" rid="e90">Equation 90</xref>, so it can never collapse toward a black hole by this process [see Appendix C of <xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis (2020a)</xref>]. Since <inline-formula id="inf586">
<mml:math id="m678">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in all realistic DM halos, a nonrelativistic approach is justified to describe fermionic DM halos (see <xref ref-type="sec" rid="s7-7">Section 7.7</xref> for another scenario where general relativistic effects may be important).</p>
<p>We have proposed in <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref> a generalized wave equation of the form of <xref ref-type="disp-formula" rid="e68">Equation 68</xref> for fermionic DM with an effective potential<disp-formula id="e93">
<mml:math id="m679">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>40</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(93)</label>
</disp-formula>accounting for the Pauli exclusion principle (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equations 21</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e87">87</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s6-8">
<title>6.8 Can the quantum core mimic an SMBH?</title>
<p>A very massive object (Sagittarius A&#x2a;) resides at the center of our galaxy of mass <inline-formula id="inf587">
<mml:math id="m680">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This object has a mass <inline-formula id="inf588">
<mml:math id="m681">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> associated with a Schwarzschild radius <inline-formula id="inf589">
<mml:math id="m682">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.02</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Its actual radius is not known exactly, but it must be less than <inline-formula id="inf590">
<mml:math id="m683">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the S2 star pericenter <inline-formula id="inf591">
<mml:math id="m684">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1492</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B161">Gillessen et al., 2009</xref>). This object is believed to be an SMBH, but it could also be a compact object such as a boson star or a fermion ball.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(i) Let us first assume that this object is a noninteracting boson star (soliton).</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Using the expression of the maximum mass from <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Equation 45</xref> with <inline-formula id="inf592">
<mml:math id="m685">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we get <inline-formula id="inf593">
<mml:math id="m686">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.01</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is the maximum mass that the boson can have; otherwise, the boson star would be unstable and would collapse toward a black hole.</p>
<p>Using the nonrelativistic mass&#x2013;radius relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equation 34</xref> with <inline-formula id="inf594">
<mml:math id="m687">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf595">
<mml:math id="m688">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we find that the mass of the boson is <inline-formula id="inf596">
<mml:math id="m689">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.84</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is the minimum mass that the boson can have; otherwise, the radius of the boson star would be larger than <inline-formula id="inf597">
<mml:math id="m690">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Using the core mass&#x2013;halo mass relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e82">Equation 82</xref> with <inline-formula id="inf598">
<mml:math id="m691">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf599">
<mml:math id="m692">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we find that <inline-formula id="inf600">
<mml:math id="m693">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.35</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This value is smaller than the minimum mass <inline-formula id="inf601">
<mml:math id="m694">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.84</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> implying that <inline-formula id="inf602">
<mml:math id="m695">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (we find <inline-formula id="inf603">
<mml:math id="m696">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.707</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(ii) Let us now assume that the supermassive object at the center of the galaxy is a self-interacting boson star, which can be described with the TF approximation.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Using the expression of the maximum mass from <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Equation 47</xref> with <inline-formula id="inf604">
<mml:math id="m697">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we get <inline-formula id="inf605">
<mml:math id="m698">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.39</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf905">
<mml:math id="m1098">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is the minimum value that the ratio <inline-formula id="inf606">
<mml:math id="m699">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can have; otherwise, the boson star would be unstable and would collapse toward a black hole.</p>
<p>Using the nonrelativistic relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Equation 35</xref> with <inline-formula id="inf607">
<mml:math id="m700">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we get <inline-formula id="inf608">
<mml:math id="m701">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is the maximum value that the ratio <inline-formula id="inf609">
<mml:math id="m702">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can have; otherwise, the radius of the boson star would be larger than <inline-formula id="inf610">
<mml:math id="m703">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Using the core mass&#x2013;halo mass relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e83">Equation 83</xref> with <inline-formula id="inf611">
<mml:math id="m704">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf612">
<mml:math id="m705">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we find that <inline-formula id="inf613">
<mml:math id="m706">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>7.65</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. This value is larger than <inline-formula id="inf614">
<mml:math id="m707">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> implying that <inline-formula id="inf615">
<mml:math id="m708">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (we find <inline-formula id="inf616">
<mml:math id="m709">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.483</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(iii) Finally, let us assume that the supermassive object at the center of the galaxy is a fermion ball.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Using the expression of the maximum mass from <xref ref-type="disp-formula" rid="e90">Equation 90</xref> with <inline-formula id="inf617">
<mml:math id="m710">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we get <inline-formula id="inf618">
<mml:math id="m711">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>386</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is the maximum mass that the fermion can have; otherwise, the fermion ball would be unstable and would collapse toward a black hole.</p>
<p>Using the nonrelativistic mass&#x2013;radius relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e89">Equation 89</xref> with <inline-formula id="inf619">
<mml:math id="m712">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf620">
<mml:math id="m713">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we find that the mass of the fermion is <inline-formula id="inf621">
<mml:math id="m714">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>54.6</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is the minimum mass that the fermion can have; otherwise, the radius of the fermion ball would be larger than <inline-formula id="inf622">
<mml:math id="m715">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Using the core mass&#x2013;halo mass relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e92">Equation 92</xref> with <inline-formula id="inf623">
<mml:math id="m716">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf624">
<mml:math id="m717">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we find that <inline-formula id="inf625">
<mml:math id="m718">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.55</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This value is smaller than the minimum mass <inline-formula id="inf626">
<mml:math id="m719">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>54.6</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> implying that <inline-formula id="inf627">
<mml:math id="m720">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (we find <inline-formula id="inf628">
<mml:math id="m721">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.266</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
<p>In conclusion, if the core mass&#x2013;halo mass relations from <xref ref-type="disp-formula" rid="e82">Equations 82</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e83">83</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e92">92</xref> are valid in the present context, it is not possible to construct a quantum core which mimics an SMBH at the center of our galaxy (see <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref>). It would be too extended <inline-formula id="inf629">
<mml:math id="m722">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A possibility to escape this conclusion could be that the core mass&#x2013;halo mass relations from <xref ref-type="disp-formula" rid="e82">Equations 82</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e83">83</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e92">92</xref> are not valid (see the alternative scenario of <xref ref-type="sec" rid="s7-7">Section 7.7</xref>, leading to different results). However, there are other difficulties in assuming that the quantum core of a BECDM halo or the quantum core of a fermionic DM halo mimics an SMBH. These difficulties are discussed in detail in <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref>. In particular, if we assume that the ground state of the self-gravitating Bose or Fermi gas corresponds to a minimum halo of typical mass <inline-formula id="inf630">
<mml:math id="m723">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and typical radius <inline-formula id="inf631">
<mml:math id="m724">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we find (see <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s6-7">Section 6.7</xref>) that the mass of the DM particle is much smaller than the one computed in the present section.<xref ref-type="fn" rid="fn38">
<sup>38</sup>
</xref> In that case, the quantum core represents a large bulge of typical size <inline-formula id="inf632">
<mml:math id="m725">
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1000</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s6-3">Section 6.3</xref>) rather than mimicking an SMBH of size less than <inline-formula id="inf633">
<mml:math id="m726">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is possible that the difficulties pointed out in <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref> are not relevant or can be solved. In any case, the suggestion that the supermassive object at the center of our galaxy (and other galaxies) could be a boson star or a fermion ball remains attractive. It has been developed by some authors with success (see the review of <xref ref-type="bibr" rid="B12">Arg&#xfc;elles et al. (2023)</xref> on fermionic DM halos and a history of the subject in <xref ref-type="bibr" rid="B111">Chavanis (2023d)</xref>).</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>FIGURE 12</label>
<caption>
<p>Core&#x2013;envelope density profile of a BECDM halo with a repulsive self-interaction (TF limit) in the scenario where the quantum core mimics an SMBH of mass <inline-formula id="inf634">
<mml:math id="m727">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> like Sagittarius A&#x2a;. It is compared with a purely isothermal profile (dashed line). We have considered a BECDM halo of mass <inline-formula id="inf635">
<mml:math id="m728">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As explained in the text, the value of the core radius resulting from <xref ref-type="disp-formula" rid="e83">Equation 83</xref> is too large to satisfy the constraint <inline-formula id="inf636">
<mml:math id="m729">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g012.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s7">
<title>7 Secular evolution of BECDM halos</title>
<sec id="s7-1">
<title>7.1 Classical relaxation time</title>
<p>The results of the previous sections have been obtained in the &#x201c;collisionless&#x201d; regime where the evolution of the system is due to a process of gravitational cooling and violent relaxation. This process takes place on a few dynamical times <inline-formula id="inf637">
<mml:math id="m730">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">y</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (to make the numerical application, we have taken <inline-formula id="inf638">
<mml:math id="m731">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>20.1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf639">
<mml:math id="m732">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>7.02</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and <inline-formula id="inf640">
<mml:math id="m733">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>146</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a galaxy of mass <inline-formula id="inf641">
<mml:math id="m734">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> like the Milky Way <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>). It leads to a quasi-stationary state (or virialized state) with a core&#x2013;envelope structure. On a longer timescale, the bosons in the envelope undergo a &#x201c;collisional&#x201d; evolution due to gravitational encounters, which operates on a slow (secular) timescale. The classical relaxation time scales as (<xref ref-type="bibr" rid="B49">Chandrasekhar, 1942</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Binney and Tremaine, 1987</xref>)<disp-formula id="e94">
<mml:math id="m735">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(94)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf642">
<mml:math id="m736">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Coulomb logarithm (<inline-formula id="inf643">
<mml:math id="m737">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the distance at which the particles engaged in a collision are deflected by approximately <inline-formula id="inf644">
<mml:math id="m738">
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>o</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf645">
<mml:math id="m739">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the system&#x2019;s size, and <inline-formula id="inf646">
<mml:math id="m740">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the number of particles). For CDM made of classical particles of mass <inline-formula id="inf647">
<mml:math id="m741">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, implying <inline-formula id="inf648">
<mml:math id="m742">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>69</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a typical DM halo of mass <inline-formula id="inf649">
<mml:math id="m743">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the relaxation time is much larger than the age of the universe by many orders of magnitude so that gravitational encounters (fluctuations, finite <inline-formula id="inf650">
<mml:math id="m744">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> effects, etc.) are completely negligible. CDM halos are essentially collisionless. However, in the case of bosons, there is a huge reduction in the relaxation time because of Bose enhancement (or Bose stimulation).</p>
</sec>
<sec id="s7-2">
<title>7.2 Granules and quasiparticles</title>
<p>As shown by <xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al. (2014a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al. (2014b)</xref>, quantum wave interferences produce time-dependent small-scale density granules of the size <inline-formula id="inf651">
<mml:math id="m745">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the solitonic core (we have taken <inline-formula id="inf652">
<mml:math id="m746">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). These granules have been clearly evidenced in numerical simulations of the SP equations (<xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al., 2014a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al., 2014b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B268">Schwabe et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B226">Mocz et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B227">Mocz et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B292">Veltmaat et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B228">Mocz et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B229">Mocz et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B293">Veltmaat et al., 2020</xref>). They have been interpreted by <xref ref-type="bibr" rid="B178">Hui et al. (2017)</xref> as quasiparticles with an effective mass<disp-formula id="e95">
<mml:math id="m747">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(95)</label>
</disp-formula>which depends on the local halo density <inline-formula id="inf653">
<mml:math id="m748">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and velocity dispersion <inline-formula id="inf654">
<mml:math id="m749">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The effective mass <inline-formula id="inf655">
<mml:math id="m750">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to the mass of the bosonic gas contained within the de Broglie sphere. BECDM halos therefore behave as classical self-gravitating systems (similar to globular clusters) made of quasiparticles with an effective radius <inline-formula id="inf656">
<mml:math id="m751">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and an effective mass <inline-formula id="inf657">
<mml:math id="m752">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see the justification of this effective mass from kinetic theory given in <xref ref-type="sec" rid="s7-4">Section 7.4</xref> below). Because of Bose enhancement, these quasiparticles are much heavier than the bosons <inline-formula id="inf658">
<mml:math id="m753">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As a result, Bose enhancement strongly accelerates the collisional relaxation. For <inline-formula id="inf659">
<mml:math id="m754">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we find that the number of quasiparticles is <inline-formula id="inf660">
<mml:math id="m755">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> so that the relaxation time from <xref ref-type="disp-formula" rid="e94">Equation 94</xref> with <inline-formula id="inf661">
<mml:math id="m756">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> replaced by <inline-formula id="inf662">
<mml:math id="m757">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf663">
<mml:math id="m758">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf664">
<mml:math id="m759">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is considerably reduced and becomes comparable to the age of the universe or even smaller (especially in the core of the galaxy where the density is high and <inline-formula id="inf665">
<mml:math id="m760">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is small).</p>
</sec>
<sec id="s7-3">
<title>7.3 Heating and cooling</title>
<p>The evolution of test particles of mass <inline-formula id="inf666">
<mml:math id="m761">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a BECDM halo due to &#x201c;collisions&#x201d; with quasiparticles of mass <inline-formula id="inf667">
<mml:math id="m762">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has been analyzed by <xref ref-type="bibr" rid="B19">Bar-Or et al. (2019)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">Bar-Or et al. (2021)</xref>. The granules can cause the diffusion (heating) of light test particles such as stars (with <inline-formula id="inf668">
<mml:math id="m763">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) on a secular timescale. This process can heat and expand the central regions of a stellar system embedded in the halo. On the other hand, heavy test particles such as black holes or globular clusters (with <inline-formula id="inf669">
<mml:math id="m764">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) experience dynamical friction (cooling). The variation of the effective mass <inline-formula id="inf670">
<mml:math id="m765">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the quasiparticles across the system (due to the spatial variation of the density <inline-formula id="inf671">
<mml:math id="m766">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and velocity dispersion <inline-formula id="inf672">
<mml:math id="m767">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the DM halo) can stall the inspiral of the massive objects toward the center of the galaxy at the distance where the effective mass of the quasiparticles <inline-formula id="inf673">
<mml:math id="m768">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes equal to the mass <inline-formula id="inf674">
<mml:math id="m769">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the test particles. A similar description of heating and cooling in BECDM halos has been developed by <xref ref-type="bibr" rid="B217">Marsh and Niemeyer (2019)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B148">El-Zant et al. (2020)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B100">Chavanis (2021b)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s7-4">
<title>7.4 Kinetic theory based on the bosonic Landau equation</title>
<p>The granules (quasiparticles) also induce a secular evolution of the BECDM halo itself. This evolution can be described by the bosonic Landau equation <xref ref-type="bibr" rid="B100">Chavanis (2021b)</xref>:<disp-formula id="e96">
<mml:math id="m770">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="cases">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="3em"/>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(96)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf675">
<mml:math id="m771">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the relative velocity of the particles engaged in an encounter, <inline-formula id="inf676">
<mml:math id="m772">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the phase space density, and <inline-formula id="inf677">
<mml:math id="m773">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the quantum Coulomb logarithm with <inline-formula id="inf678">
<mml:math id="m774">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> now replacing <inline-formula id="inf679">
<mml:math id="m775">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="e96">Equation 96</xref> differs from the classical Landau equation by the presence of the factor <inline-formula id="inf680">
<mml:math id="m776">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> instead of <inline-formula id="inf681">
<mml:math id="m777">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that takes into account Bose enhancement. Since <inline-formula id="inf682">
<mml:math id="m778">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the bare mass <inline-formula id="inf683">
<mml:math id="m779">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the bosons is multiplied by a factor <inline-formula id="inf684">
<mml:math id="m780">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> so that <inline-formula id="inf685">
<mml:math id="m781">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> as stated in <xref ref-type="disp-formula" rid="e95">Equation 95</xref> above (for <inline-formula id="inf686">
<mml:math id="m782">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we find <inline-formula id="inf687">
<mml:math id="m783">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>95</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The relaxation time is therefore given by<disp-formula id="e97">
<mml:math id="m784">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(97)</label>
</disp-formula>It corresponds to the relaxation time of a classical collisional stellar system (e.g., a globular cluster) from <xref ref-type="disp-formula" rid="e94">Equation 94</xref> with an effective particle mass given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e95">Equation 95</xref>. As discussed above, everything happens as if the envelope of the BECDM halo contained <inline-formula id="inf688">
<mml:math id="m785">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> classical quasiparticles of mass <inline-formula id="inf689">
<mml:math id="m786">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> instead of <inline-formula id="inf690">
<mml:math id="m787">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> quantum particles of mass <inline-formula id="inf691">
<mml:math id="m788">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s7-5">
<title>7.5 Growth of the soliton</title>
<p>This kinetic description was originally introduced by <xref ref-type="bibr" rid="B207">Levkov et al. (2018)</xref> who used it to investigate the condensation phenomenon and the growth of the soliton due to collisions between quasiparticles. The relaxation time <inline-formula id="inf692">
<mml:math id="m789">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> characterizing the secular evolution of the envelope of the BECDM halo also determines the typical condensation time by gravitational encounters. This is the typical time required to form the soliton through Bose&#x2013;Einstein gravitational condensation. On this secular (kinetic) timescale, a fraction of the bosons of the envelope condenses (because <inline-formula id="inf693">
<mml:math id="m790">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and &#x201c;feeds&#x201d; the soliton. As a result, the mass of the soliton increases, while the envelope of the DM halo is slowly depleted. The secular growth of the soliton has been further studied by <xref ref-type="bibr" rid="B145">Eggemeier and Niemeyer (2019)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B115">Chen et al. (2021)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B116">Chen et al. (2022)</xref>. They showed that the core accretes matter from the surrounding with a slow but permanent growth that goes initially as <inline-formula id="inf694">
<mml:math id="m791">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B207">Levkov et al., 2018</xref>) and then as <inline-formula id="inf695">
<mml:math id="m792">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B145">Eggemeier and Niemeyer, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B115">Chen et al., 2021</xref>) once the virial velocity of the soliton and the envelope coincide <inline-formula id="inf696">
<mml:math id="m793">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The corresponding saturation mass satisfies the scaling <inline-formula id="inf697">
<mml:math id="m794">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> similar to the one found in <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al. (2014b)</xref> in the collisionless regime (see <xref ref-type="sec" rid="s6-6">Section 6.6</xref>).</p>
<p>We stress that this mechanism of condensation, which operates on a secular timescale, is physically different from the processes of gravitational cooling and collisionless violent relaxation discussed in <xref ref-type="sec" rid="s5-1">Section 5.1</xref> which operate on a much shorter timescale (a few dynamical times). In the present case, the formation and growth of the soliton is due to the condensation caused by gravitational interactions (collisions). There are therefore two distinct mechanisms (collisionless vs. collisional) to form the soliton (see the introduction of <xref ref-type="bibr" rid="B100">Chavanis (2021b)</xref> for more details). The distinction between the phase of violent relaxation (formation of the soliton) and the phase of slow collisional relaxation (formation and/or growth of the soliton) is illustrated numerically in <xref ref-type="bibr" rid="B270">Seidel and Suen (1994)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B264">Schive et al. (2014a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B265">Schive et al. (2014b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B268">Schwabe et al. (2016)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B226">Mocz et al. (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B227">Mocz et al. (2018)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B292">Veltmaat et al. (2018)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B228">Mocz et al. (2019)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B229">Mocz et al. (2020)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B293">Veltmaat et al. (2020)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B162">Glennon and Prescod-Weinstein (2021)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B230">Mocz et al. (2023)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B212">Liu et al. (2023)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B237">Nori et al. (2023)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B247">Painter et al. (2024)</xref> and in <xref ref-type="bibr" rid="B207">Levkov et al. (2018)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B145">Eggemeier and Niemeyer (2019)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B115">Chen et al. (2021)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B116">Chen et al. (2022)</xref>, respectively.</p>
</sec>
<sec id="s7-6">
<title>7.6 Self-interacting dark matter</title>
<p>For completeness, we mention another possible scenario of evolution of BECDM halos (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>). If the bosons have a strongly repulsive self-interaction, the collisional evolution of the envelope may be driven by self-interactions instead of gravitational encounters.<xref ref-type="fn" rid="fn39">
<sup>39</sup>
</xref> This is usually referred to as self-interacting dark matter (SIDM) (<xref ref-type="bibr" rid="B280">Spergel and Steinhardt, 2000</xref>). The evolution of SIDM halos can be described by the ordinary Boltzmann kinetic equation. If the particles are self-interacting, with a scattering length <inline-formula id="inf698">
<mml:math id="m795">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, they experience a relaxation due to direct &#x201c;collisions&#x201d; with a cross-section <inline-formula id="inf699">
<mml:math id="m796">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As discussed previously, a relevant situation corresponds to bosons with a mass <inline-formula id="inf700">
<mml:math id="m797">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.10</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and scattering length <inline-formula id="inf701">
<mml:math id="m798">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.41</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> determined by the Bullet Cluster constraint <inline-formula id="inf702">
<mml:math id="m799">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.25</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>). In that case, the relaxation time due to self-interaction (neglecting here Bose enhancement) is<disp-formula id="e98">
<mml:math id="m800">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>3.66</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">y</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(98)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Since the Bullet Cluster constraint determines <inline-formula id="inf703">
<mml:math id="m801">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> the value of the relaxation time due to self-interaction is independent of the mass of the DM particle. It is comparable to the age of the universe (especially in the core of the galaxy where the density is high). In comparison, the relaxation time due to gravitational encounters is <inline-formula id="inf704">
<mml:math id="m802">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>81</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>89</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">y</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> If we account for Bose enhancement, the relaxation time scales generically as <inline-formula id="inf705">
<mml:math id="m803">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the general case, the bosons experience a relaxation due to their self-interaction with a cross-section <inline-formula id="inf706">
<mml:math id="m804">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> leading to <inline-formula id="inf707">
<mml:math id="m805">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and a relaxation due to gravitational scattering with a Rutherford cross-section <inline-formula id="inf708">
<mml:math id="m806">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> leading to <inline-formula id="inf709">
<mml:math id="m807">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The total cross-section is <inline-formula id="inf710">
<mml:math id="m808">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and the relaxation time is <inline-formula id="inf711">
<mml:math id="m809">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B116">Chen et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B193">Kirkpatrick et al., 2022</xref>). For QCD axions and ULAs, <xref ref-type="bibr" rid="B207">Levkov et al. (2018)</xref> showed that the collisional relaxation due to the self-coupling is slower than the collisional relaxation due to two-body gravitational encounters. Indeed, for <inline-formula id="inf712">
<mml:math id="m810">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf713">
<mml:math id="m811">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3.18</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>68</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we have <inline-formula id="inf714">
<mml:math id="m812">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, for bosons with <inline-formula id="inf715">
<mml:math id="m813">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.10</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf716">
<mml:math id="m814">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.41</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we find the opposite. Self-interaction wins over gravity by <inline-formula id="inf717">
<mml:math id="m815">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>self</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>gr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>77</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s7-7">
<title>7.7 Gravothermal catastrophe</title>
<p>Gravitational encounters between quasiparticles or collisions between bosons due to their self-interaction induce the secular evolution of a BECDM halo on a relevant timescale and establish an isothermal distribution, especially in the core of the halo where the density is high and the relaxation time is short. If we account for evaporation and tidal effects, this collisional evolution can provide another justification of the King distribution (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e61">Equations 61</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e62">62</xref> without the bar on <inline-formula id="inf718">
<mml:math id="m816">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). In that case, BECDM halos behave similarly to globular clusters with additional specificities due to quantum mechanics. Because of collisions and evaporation, they slowly follow a series of equilibria (the King sequence) toward configurations of higher and higher central density (see <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13</xref>). At some point, when the central density reaches a critical value corresponding to the minimum energy in the series of equilibria (caloric curve), the DM halo becomes thermodynamically unstable and experiences a gravothermal catastrophe (<xref ref-type="bibr" rid="B214">Lynden-Bell and Wood, 1968</xref>).</p>
<fig id="F13" position="float">
<label>FIGURE 13</label>
<caption>
<p>Series of equilibria (caloric curve) of the classical King model (<xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al., 2015a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B65">Chavanis et al., 2015b</xref>) giving the inverse temperature <inline-formula id="inf719">
<mml:math id="m817">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of minus the energy <inline-formula id="inf720">
<mml:math id="m818">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It has a snail-like (spiral) structure, but only the part of the curve up to MCE is stable in the microcanonical ensemble (note that between CE and MCE, the specific heat is negative). At the point of minimal energy <inline-formula id="inf721">
<mml:math id="m819">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the system undergoes a gravothermal catastrophe and collapses.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g013.tif"/>
</fig>
<p>Most DM halos are close to the point of marginal stability. The marginal King density profile, which is flat at the center and decreases approximately as <inline-formula id="inf722">
<mml:math id="m820">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at large distances (before decreasing to 0 at the tidal radius) (<xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al., 2015a</xref>), is similar to the modified Hubble profile (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Binney and Tremaine, 1987</xref>), which is itself relatively similar to the Burkert profile (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Burkert, 1995</xref>) that gives a good fit of many DM halos (see Figure 18 of <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al. (2015a)</xref>, Figure 1 of <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref>, and <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> of this paper for a comparison between these different profiles). Therefore, as suggested in <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al. (2015a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B65">Chavanis et al. (2015b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref>, the marginal King profile may justify the empirical Burkert profile of DM halos.<xref ref-type="fn" rid="fn40">
<sup>40</sup>
</xref>
</p>
<p>If the BECDM halo is not too massive, the gravothermal catastrophe is stopped by quantum mechanics (Heisenberg&#x2019;s uncertainty principle) or by the repulsive self-interaction of the bosons. This leads to BECDM halos with a core&#x2013;envelope structure made of a bosonic condensate (soliton) surrounded by an approximately isothermal envelope or, more realistically, a King envelope (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>). Therefore, the soliton may result from the gravothermal catastrophe stopped by quantum mechanics or by repulsive scattering. This scenario provides another mechanism for the formation of a solitonic core (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>). Depending on the characteristics of the DM particle (mass, scattering length&#x2026;), the condensed object (soliton) may mimic an SMBH at the center of a galaxy or represent a large DM bulge (see <xref ref-type="sec" rid="s6-8">Section 6.8</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn41">
<sup>41</sup>
</xref>
</p>
<p>If the BECDM halo is sufficiently massive, the gravothermal catastrophe may be followed by an instability of general relativistic origin (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Balberg et al., 2002</xref>), leading to the formation of an SMBH instead of a quantum core (soliton). This soliton/SMBH transition (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>) occurs when the mass of the solitonic core overcomes the maximum mass <inline-formula id="inf723">
<mml:math id="m821">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> set by general relativity (see <xref ref-type="sec" rid="s4-5">Section 4.5</xref>). As a result, medium-sized galaxies like the Milky Way may harbor a soliton (mimicking an SMBH or representing a bulge), while very large galaxies should harbor an SMBH of mass <inline-formula id="inf724">
<mml:math id="m822">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (for noninteracting BECs with <inline-formula id="inf725">
<mml:math id="m823">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> one finds <inline-formula id="inf726">
<mml:math id="m824">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max,NI</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>GR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.90</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). This scenario could account for the mass of SMBHs (quasars) in active galactic nuclei (AGNs) like the one recently photographed in M87 (<inline-formula id="inf727">
<mml:math id="m825">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf728">
<mml:math id="m826">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>BH</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
<p>Note that during the gravothermal catastrophe and the gravitational collapse, the envelope remains unaltered. Therefore, the resulting structure is a marginal King profile (with a flat core and a <inline-formula id="inf729">
<mml:math id="m827">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> envelope), similar to the Burkert profile, containing either a central condensed object (soliton) or an SMBH (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>). The density in the envelope may also decay more rapidly than <inline-formula id="inf730">
<mml:math id="m828">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to the recent results of Gaia DR3 discussed in footnote 27.</p>
<p>Similar results are obtained for fermionic DM where the soliton is replaced by a fermion ball (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Bilic et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B131">Destri et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B70">Chavanis, 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al., 2015a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B65">Chavanis et al., 2015b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B263">Ruffini et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B54">Chavanis and Alberti, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Alberti and Chavanis, 2020b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B97">Chavanis, 2020d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B98">Chavanis, 2020e</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Arg&#xfc;elles et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B111">Chavanis, 2023d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis, 2022g</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Arg&#xfc;elles et al., 2023</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn42">
<sup>42</sup>
</xref> We refer to <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B111">Chavanis (2023d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B12">Arg&#xfc;elles et al. (2023)</xref> and references therein for more details about this scenario valid for fermionic and bosonic DM. At this stage, it is not possible to favor fermionic DM over bosonic DM or the converse. Note that fermionic and bosonic DM halos involve particles with a very different mass differing by 30 orders of magnitude (see <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, <xref ref-type="sec" rid="s6-7">Section 6.7</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B113">Chavanis, 2024b</xref>). It is also possible that DM is made of several types of fermions and bosons, as suggested in Sec. XII.E of <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s8">
<title>8 Basics of BECDM cosmology</title>
<p>The large-scale structures of the universe such as galaxies and DM halos are formed in the homogeneous background by Jeans instability (<xref ref-type="bibr" rid="B182">Jeans, 1902</xref>).<xref ref-type="fn" rid="fn43">
<sup>43</sup>
</xref> For a cold classical gas, the Jeans length vanishes or is extremely small <inline-formula id="inf731">
<mml:math id="m829">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> implying that structures form at all scales. This is not what we observe (there is no DM halo with a mass smaller than <inline-formula id="inf732">
<mml:math id="m830">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), and this leads to the small-scale problems of the CDM model such as the missing satellite problem (see the Introduction). By contrast, when quantum mechanics (or a repulsive self-interaction) is taken into account, the Jeans length is nonzero, implying the absence of structures below a minimum mass <inline-formula id="inf733">
<mml:math id="m831">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (for suitably chosen parameters of the DM particle), in agreement with the observations.<xref ref-type="fn" rid="fn44">
<sup>44</sup>
</xref>
</p>
<p>The Jeans instability of a self-gravitating BEC (or a complex SF) with repulsive or attractive self-interactions was first considered by <xref ref-type="bibr" rid="B190">Khlopov et al. (1985)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B24">Bianchi et al. (1990)</xref> in a general relativistic framework based on the KGE equations. The Jeans instability of a noninteracting self-gravitating BEC in Newtonian gravity described by the SP equations was studied by <xref ref-type="bibr" rid="B177">Hu et al. (2000)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B275">Sikivie and Yang (2009)</xref>. The Jeans instability of a Newtonian self-gravitating BEC with repulsive or attractive self-interactions described by the GPP equations was studied by <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>. These results were extended in general relativity by <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015a)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B284">Su&#xe1;rez and Chavanis (2018)</xref>. In these different studies, the authors determined the Jeans length and the Jeans mass of the unstable structures and used them to obtain an estimate of the minimum size and minimum mass of BECDM halos. These studies were performed in a static universe. The Jeans instability of an infinite homogeneous self-gravitating BEC in an expanding universe was studied by <xref ref-type="bibr" rid="B24">Bianchi et al. (1990)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B285">Su&#xe1;rez and Matos (2011)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015a)</xref> in general relativity and by <xref ref-type="bibr" rid="B275">Sikivie and Yang (2009)</xref> (without self-interaction) and <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis (2012b)</xref> (with self-interaction) in Newtonian gravity. These studies are valid for a complex SF describing the wavefunction of a BEC. They rely on a hydrodynamical representation of the wave equation. We refer to <xref ref-type="bibr" rid="B95">Chavanis (2020b)</xref> for a review about the Jeans instability of self-gravitating BECs. The Jeans instability of a real SF in general relativity has been studied by numerous authors, and a detailed list of references is given in <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>.</p>
<p>The Jeans instability is only valid in the linear regime of structure formation. It describes the initiation of the large-scale structures of the universe. The Jeans instability leads to the increase in the perturbations and the formation of condensations (clumps). When the density contrast reaches a sufficiently large value, the condensations (overdensities) decouple from the Hubble flow and experience a free fall, followed by a complicated process of gravitational cooling (<xref ref-type="bibr" rid="B270">Seidel and Suen, 1994</xref>) and violent relaxation (virialization) (<xref ref-type="bibr" rid="B215">Lynden-Bell, 1967</xref>). They can also grow through collisions, merging, and accretion before being diluted by the expansion of the universe. This corresponds to the nonlinear regime of structure formation, leading to the DM halos that we observe today. BECDM halos result from the balance between the gravitational attraction, the quantum pressure arising from the Heisenberg uncertainty principle, the pressure due to the self-interaction of the bosons, and the effective thermal pressure. They have a core&#x2013;envelope structure with a quantum core (soliton) surrounded by an approximately isothermal envelope due to quantum interferences, as discussed in the previous sections.</p>
<sec id="s8-1">
<title>8.1 Gravitational instability of an infinite homogeneous BEC in a static universe</title>
<p>Let us apply the GPP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> to the universe as a whole in order to study the initiation of structure formation. We use a hydrodynamic approach. Specifically, following <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>, we study the linear dynamical stability of an infinite homogeneous self-gravitating BEC with density <inline-formula id="inf734">
<mml:math id="m832">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and vanishing velocity <inline-formula id="inf735">
<mml:math id="m833">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> described by the quantum Euler&#x2013;Poisson <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equations 16</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>. In this section, we consider a static universe and make the Jeans swindle (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Binney and Tremaine, 1987</xref>). This is the generalization of the classical Jeans problem (<xref ref-type="bibr" rid="B182">Jeans, 1902</xref>) to a quantum fluid.<xref ref-type="fn" rid="fn45">
<sup>45</sup>
</xref>
</p>
<p>Considering a small perturbation about an infinite homogeneous self-gravitating BEC, linearizing the quantum Euler&#x2013;Poisson <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equations 16</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, and decomposing the perturbation into plane waves, we obtain the generalized dispersion relation (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>)<disp-formula id="e99">
<mml:math id="m834">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(99)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf736">
<mml:math id="m835">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref>) is the squared speed of sound in the BEC. The dispersion relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e99">Equation 99</xref> is plotted in <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref>. The medium is stable when <inline-formula id="inf737">
<mml:math id="m836">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (in that case, the perturbation oscillates with the pulsation <inline-formula id="inf738">
<mml:math id="m837">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and unstable when <inline-formula id="inf739">
<mml:math id="m838">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (in that case, the perturbation grows exponentially rapidly with a growth rate <inline-formula id="inf740">
<mml:math id="m839">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). In the TF limit <inline-formula id="inf741">
<mml:math id="m840">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we recover the <xref ref-type="bibr" rid="B182">Jeans (1902)</xref> dispersion relation of a classical self-gravitating gas. In the absence of self-gravity <inline-formula id="inf742">
<mml:math id="m841">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we recover the <xref ref-type="bibr" rid="B28">Bogoliubov (1947)</xref> dispersion relation of a nonideal boson gas. The dispersion relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e99">Equation 99</xref> originally derived in <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> has been used in <xref ref-type="bibr" rid="B278">Slepian and Goodman (2012)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B166">Guth et al. (2015)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B171">Harko (2019)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B21">Berezhiani et al. (2019)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B242">Ourabah (2020)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B41">Buehler and Desjacques (2023)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B22">Berezhiani et al. (2023)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B163">Glennon et al. (2024)</xref>.</p>
<fig id="F14" position="float">
<label>FIGURE 14</label>
<caption>
<p>Dispersion relation of a self-gravitating BEC with repulsive or attractive self-interaction. The pulsation is normalized by <inline-formula id="inf743">
<mml:math id="m842">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the wavenumber by <inline-formula id="inf744">
<mml:math id="m843">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and the scattering length by <inline-formula id="inf745">
<mml:math id="m844">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For <inline-formula id="inf746">
<mml:math id="m845">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the maximum growth rate <inline-formula id="inf747">
<mml:math id="m846">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is reached for <inline-formula id="inf748">
<mml:math id="m847">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> which is independent of <inline-formula id="inf749">
<mml:math id="m848">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g014.tif"/>
</fig>
<p>The generalized Jeans wavenumber <inline-formula id="inf750">
<mml:math id="m849">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, corresponding to the mode of marginal stability <inline-formula id="inf751">
<mml:math id="m850">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is given by (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>)<disp-formula id="e100">
<mml:math id="m851">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(100)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>A perturbation with wavelength <inline-formula id="inf752">
<mml:math id="m852">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is stable if <inline-formula id="inf753">
<mml:math id="m853">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and unstable if <inline-formula id="inf754">
<mml:math id="m854">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the TF limit <inline-formula id="inf755">
<mml:math id="m855">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we recover the classical Jeans wavenumber (<xref ref-type="bibr" rid="B182">Jeans, 1902</xref>)<disp-formula id="e101">
<mml:math id="m856">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(101)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the noninteracting limit <inline-formula id="inf756">
<mml:math id="m857">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we obtain the quantum Jeans wavenumber (<xref ref-type="bibr" rid="B190">Khlopov et al., 1985</xref>)<disp-formula id="e102">
<mml:math id="m858">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(102)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For a repulsive self-interaction <inline-formula id="inf757">
<mml:math id="m859">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> the maximum growth rate of the instability <inline-formula id="inf758">
<mml:math id="m860">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained for <inline-formula id="inf759">
<mml:math id="m861">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (infinitely long wavelengths). For an attractive self-interaction <inline-formula id="inf760">
<mml:math id="m862">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> the system can be unstable even in the absence of self-gravity <inline-formula id="inf761">
<mml:math id="m863">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<xref ref-type="fn" rid="fn46">
<sup>46</sup>
</xref> This is a purely hydrodynamic instability, also called tachyonic instability for an SF. The critical wavenumber of the instability is (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>)<disp-formula id="e103">
<mml:math id="m864">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(103)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The maximum growth rate of the instability <inline-formula id="inf762">
<mml:math id="m865">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained for a wave number <inline-formula id="inf763">
<mml:math id="m866">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The effect of self-gravity is considered in <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> (see also <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref>).</p>
<p>From the Jeans length <inline-formula id="inf764">
<mml:math id="m867">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, one can define a Jeans mass <inline-formula id="inf765">
<mml:math id="m868">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The Jeans scales <inline-formula id="inf766">
<mml:math id="m869">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf767">
<mml:math id="m870">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> determine the typical mass and size of the clusters that are unstable in the linear regime. These unstable clusters undergo a process of violent relaxation in the nonlinear regime and evolve into BECDM halos. In <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>, we showed that the Jeans mass&#x2013;radius relation <inline-formula id="inf768">
<mml:math id="m871">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a self-gravitating BEC parameterized by the mean density <inline-formula id="inf769">
<mml:math id="m872">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the universe in the linear regime of structure formation is similar to the mass&#x2013;radius relation <inline-formula id="inf770">
<mml:math id="m873">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the quantum core (soliton) of BECDM halos parameterized by the central density <inline-formula id="inf771">
<mml:math id="m874">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the nonlinear regime of structure formation (compare Figures 7, 9 in <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref> with Figures 2, 3 in <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>). Following the Jeans mass&#x2013;radius relation <inline-formula id="inf772">
<mml:math id="m875">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> along the sequence of decreasing density <inline-formula id="inf773">
<mml:math id="m876">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see Figures 7, 9 in <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>) amounts to taking into account the expansion of the universe. Following the mass&#x2013;radius relation <inline-formula id="inf774">
<mml:math id="m877">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of BECDM halos along the sequence of increasing central density <inline-formula id="inf775">
<mml:math id="m878">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see Figures 2, 3 in <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>) amounts to following their &#x201c;collisional&#x201d; evolution in the secular regime. Similar results are obtained for self-gravitating fermions (<xref ref-type="bibr" rid="B284">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2018</xref>).</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> The study of the Jeans instability for a self-gravitating BEC has been extended in general relativity in <xref ref-type="bibr" rid="B284">Su&#xe1;rez and Chavanis (2018)</xref> by using a hydrodynamic representation of the KGE equations in the weak gravity limit. The case of a dissipative self-gravitating BEC has been considered in <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B95">Chavanis (2020b)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B242">Ourabah (2020)</xref>. The effect of a rotation and a magnetic field is discussed in <xref ref-type="app" rid="app5">Appendix 5</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s8-2">
<title>8.2 Cosmological evolution of a BECDM universe</title>
<p>The cosmological evolution of a spatially homogeneous complex SF with a self-interaction potential <inline-formula id="inf776">
<mml:math id="m879">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, possibly describing a self-gravitating BEC, has been studied by <xref ref-type="bibr" rid="B208">Li et al. (2014)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis (2017)</xref>, by using a general relativistic treatment. In the fast oscillation regime <inline-formula id="inf777">
<mml:math id="m880">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf778">
<mml:math id="m881">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the pulsation of the SF and <inline-formula id="inf779">
<mml:math id="m882">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the Hubble constant, the equation of state <inline-formula id="inf780">
<mml:math id="m883">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the SF is given in parametric form by (<xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2017</xref>)<disp-formula id="e104">
<mml:math id="m884">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(104)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e105">
<mml:math id="m885">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(105)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf781">
<mml:math id="m886">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the pseudo rest-mass density of the BEC. These equations can also be obtained in the TF approximation [see Sec. II.D of <xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis (2017)</xref>, Section 3.3 of <xref ref-type="bibr" rid="B103">Chavanis (2022c)</xref>, and Appendix B.3 of <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>]. In that case, they apply both to a spatially homogeneous SF (cosmological background) and to a spatially inhomogeneous SF (boson star). For a <inline-formula id="inf782">
<mml:math id="m887">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equations 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e104">104</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e105">105</xref>, one obtains the equation of state from <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">Equation 49</xref>. The pseudo rest-mass density <inline-formula id="inf783">
<mml:math id="m888">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is related to the scale factor <inline-formula id="inf784">
<mml:math id="m889">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by (<xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2017</xref>)<disp-formula id="e106">
<mml:math id="m890">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(106)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf785">
<mml:math id="m891">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the charge of the complex SF, which is a conserved quantity (<inline-formula id="inf786">
<mml:math id="m892">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the rest-mass density). This relation is a consequence of &#x201c;spintessence&#x201d; (<xref ref-type="bibr" rid="B34">Boyle et al., 2002</xref>). Using <xref ref-type="disp-formula" rid="e104">Equations 104</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e106">106</xref>, one can obtain the evolution of the energy density <inline-formula id="inf787">
<mml:math id="m893">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and pressure <inline-formula id="inf788">
<mml:math id="m894">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in parametric form with parameter <inline-formula id="inf789">
<mml:math id="m895">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When there is no self-interaction or when the self-interaction is weakly repulsive, the SF undergoes a stiff matter era (in the slow oscillation regime of &#x201c;kination&#x201d;),<xref ref-type="fn" rid="fn47">
<sup>47</sup>
</xref> followed by a pressureless DM era. When the self-interaction is strongly repulsive, the SF undergoes a stiff matter era, followed by a radiation-like era due to its self-interaction, and then by a pressureless DM era. The transition between the weakly self-interacting regime and the strongly self-interacting regime depends on how the scattering length of the bosons <inline-formula id="inf790">
<mml:math id="m896">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> compares with their effective Schwarzschild radius <inline-formula id="inf791">
<mml:math id="m897">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The dynamical phase diagram of an SF with a repulsive quartic self-interaction is represented in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure 15</xref>. When the self-interaction is attractive, the evolution of the SF is peculiar (<xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B46">Carvente et al., 2021</xref>).</p>
<fig id="F15" position="float">
<label>FIGURE 15</label>
<caption>
<p>Phase diagram of a BEC universe showing the different eras of the SF during the evolution of the universe as a function of the scattering length of the bosons in the case of a repulsive self-interaction.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g015.tif"/>
</fig>
<p>
<italic>Remark:</italic> The study of the cosmological evolution of a relativistic SF with a <inline-formula id="inf792">
<mml:math id="m898">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> potential (<xref ref-type="bibr" rid="B208">Li et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2017</xref>) has been extended in <xref ref-type="bibr" rid="B102">Chavanis (2022b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B105">Chavanis (2022e)</xref> to arbitrary power-law and logarithmic self-interaction potentials associated with isothermal, polytropic, and logotropic equations of state. As discussed in detail in <xref ref-type="bibr" rid="B103">Chavanis (2022c)</xref>, we must distinguish between the equation of state <inline-formula id="inf793">
<mml:math id="m899">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the equation of state <inline-formula id="inf794">
<mml:math id="m900">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For example, for a power-law potential of the form <inline-formula id="inf795">
<mml:math id="m901">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, corresponding to the polytropic equation of state <inline-formula id="inf796">
<mml:math id="m902">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain an equation of state <inline-formula id="inf797">
<mml:math id="m903">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given in the reversed form by (<xref ref-type="bibr" rid="B283">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B102">Chavanis, 2022b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B103">Chavanis, 2022c</xref>)<disp-formula id="e107">
<mml:math id="m904">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(107)</label>
</disp-formula>For <inline-formula id="inf798">
<mml:math id="m905">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf799">
<mml:math id="m906">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> we recover <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">Equation 49</xref>. Other examples are given in <xref ref-type="bibr" rid="B102">Chavanis (2022b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B105">Chavanis (2022e)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B103">Chavanis (2022c)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s8-3">
<title>8.3 Growth of perturbations in an expanding universe filled with BECDM</title>
<p>The growth of perturbations in an expanding universe filled with BECDM has been studied in <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis (2012b)</xref>. The expansion of the universe avoids the Jeans swindle (<xref ref-type="bibr" rid="B249">Peebles, 1980</xref>). In <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis (2012b)</xref>, we focused on the matter era where the evolution of the universe is described by the Einstein-de Sitter (EdS) solution, and we used a nonrelativistic approach.<xref ref-type="fn" rid="fn48">
<sup>48</sup>
</xref> We generalized the classical <xref ref-type="bibr" rid="B30">Bonnor (1957)</xref> study to a BEC universe by taking into account the quantum potential arising from the Heisenberg uncertainty principle and the pressure due to the self-interaction of the bosons.</p>
<p>The GPP equations in an expanding universe read (<xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis, 2012b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2015a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B95">Chavanis, 2020b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>)<disp-formula id="e108">
<mml:math id="m907">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(108)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e109">
<mml:math id="m908">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(109)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf800">
<mml:math id="m909">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Hubble parameter, <inline-formula id="inf801">
<mml:math id="m910">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the scale factor, and <inline-formula id="inf802">
<mml:math id="m911">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the background density of the universe. The associated quantum Euler&#x2013;Poisson equations are given by (<xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis, 2012b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis, 2015a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B95">Chavanis, 2020b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>)<disp-formula id="e110">
<mml:math id="m912">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(110)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e111">
<mml:math id="m913">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(111)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e112">
<mml:math id="m914">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(112)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e113">
<mml:math id="m915">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(113)</label>
</disp-formula>with the quantum potential<disp-formula id="e114">
<mml:math id="m916">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(114)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The evolution of the homogeneous background (<inline-formula id="inf803">
<mml:math id="m917">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf804">
<mml:math id="m918">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) is determined by the EdS solution <inline-formula id="inf805">
<mml:math id="m919">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf806">
<mml:math id="m920">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf807">
<mml:math id="m921">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf808">
<mml:math id="m922">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In the linear regime of structure formation, we showed that the evolution of the Fourier transform of the density contrast <inline-formula id="inf809">
<mml:math id="m923">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is determined by (<xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis, 2012b</xref>)<disp-formula id="e115">
<mml:math id="m924">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(115)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This equation extends the classical <xref ref-type="bibr" rid="B30">Bonnor (1957)</xref> equation to a quantum (BEC) gas. It has been solved analytically in <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis (2012b)</xref> by considering just the effect of the quantum potential (noninteracting SF) or just the effect of a polytropic equation of state corresponding to a power-law self-interaction potential (TF limit).<xref ref-type="fn" rid="fn49">
<sup>49</sup>
</xref> In the noninteracting regime, the solutions of <xref ref-type="disp-formula" rid="e115">Equation 115</xref> representing the damped mode (upper sign) and the growing mode (lower sign) are<disp-formula id="e116">
<mml:math id="m925">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(116)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf810">
<mml:math id="m926">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf811">
<mml:math id="m927">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the TF regime, for the standard BEC, we find<disp-formula id="e117">
<mml:math id="m928">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(117)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf812">
<mml:math id="m929">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf813">
<mml:math id="m930">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="e115">Equation 115</xref> has also been solved numerically in Sec. VII of <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015a)</xref> with all the terms for the standard self-interacting BEC. All the possible regimes have been investigated depending on the strength of the self-interaction. An interesting typical evolution is shown in <xref ref-type="fig" rid="F16">Figure 16</xref>. For a self-interacting SF, the density contrast first displays growing oscillations in the TF regime (they grow as <inline-formula id="inf814">
<mml:math id="m931">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), then oscillates with a constant amplitude in the noninteracting regime, and finally grows as <inline-formula id="inf815">
<mml:math id="m932">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> like pressureless DM (CDM model). The SF behaves like CDM at large scales <inline-formula id="inf816">
<mml:math id="m933">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and is stabilized by quantum mechanics or self-interaction at small scales <inline-formula id="inf817">
<mml:math id="m934">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This may solve the small-scale problems of the CDM model. The case of an attractive self-interaction has also been considered in <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis (2012b)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015a)</xref>. In that case, the density perturbation increases exponentially rapidly (instead of algebraically), and it is possible to neglect the expansion of the universe on this timescale of exponential growth, returning the results of <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> in a static universe (see <xref ref-type="sec" rid="s8-1">Section 8.1</xref>).</p>
<fig id="F16" position="float">
<label>FIGURE 16</label>
<caption>
<p>Evolution of the density contrast <inline-formula id="inf818">
<mml:math id="m935">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a self-interacting SF. The BEC is stable <inline-formula id="inf819">
<mml:math id="m936">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the TF and noninteracting regimes and unstable <inline-formula id="inf820">
<mml:math id="m937">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the CDM-like regime, where <inline-formula id="inf821">
<mml:math id="m938">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Jeans length.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-12-1538434-g016.tif"/>
</fig>
<p>
<italic>Remark:</italic> The differential <xref ref-type="disp-formula" rid="e115">Equation 115</xref> for the density contrast of a nonrelativistic BEC in an expanding universe originally derived in <xref ref-type="bibr" rid="B77">Chavanis (2012b)</xref> has been used in <xref ref-type="bibr" rid="B218">Marsh (2015)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B219">Marsh (2016)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B149">Fan (2016)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B130">Desjacques et al. (2018)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B37">Brax et al. (2019)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B40">Brax et al. (2020c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B230">Mocz et al. (2023)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B180">Hwang and Noh (2022)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B255">Proukakis et al. (2024)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B8">Arakawa et al. (2024)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B166">Guth et al. (2015)</xref>. It has been extended to the context of general relativity in <xref ref-type="bibr" rid="B281">Su&#xe1;rez and Chavanis (2015a)</xref> by using the hydrodynamic representation of the KGE equations in the weak gravity regime.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s9">
<title>9 Conclusion</title>
<p>In this paper, we have reviewed basic results on the BECDM model. We have discussed the core&#x2013;envelope structure of BECDM halos and determined the core mass&#x2013;radius relation, the halo mass&#x2013;radius relation, and the core mass&#x2013;halo mass relation. We have distinguished the violent (rapid) collisionless relaxation of BECDM halos through gravitational cooling and their secular (slow) collisional evolution induced by the formation of granules. We have explained how quantum mechanics may solve certain problems of the CDM model such as the core&#x2013;cusp problem and the missing satellite problem. We have emphasized the importance of the maximum mass of dilute axion stars with attractive self-interactions (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>) and its consequences.<xref ref-type="fn" rid="fn50">
<sup>50</sup>
</xref> We have also discussed basic results of BECDM cosmology.</p>
<p>Many interesting studies have been developed in relation to the BECDM model. Although we cannot discuss them in detail, we briefly list some of them (we apologize for the many other valuable works that we cannot mention). They include, for example, the effect of temperature on the formation of compact objects in self-gravitating BECs (<xref ref-type="bibr" rid="B278">Slepian and Goodman, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B260">Robles and Matos, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B294">Verma et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B254">Proukakis et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B274">Shukla et al., 2024b</xref>), models of pulsar glitches interpreted as rotating self-gravitating BECs with a crust (<xref ref-type="bibr" rid="B295">Verma et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B273">Shukla et al., 2024a</xref>), the infall of an SF onto a central black hole (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Brax et al., 2020a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Brax et al., 2020b</xref>), angular momentum and vortex formation in BECDM halos (<xref ref-type="bibr" rid="B258">Rindler-Daller and Shapiro, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B171">Harko, 2019</xref>), the formation of scalar clumps (solitons) in the early universe (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Amin and Mocz, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B40">Brax et al., 2020c</xref>), self-similar solutions for FDM (<xref ref-type="bibr" rid="B158">Galazo-Garc&#xed;a et al., 2022</xref>), dynamical friction in FDM (<xref ref-type="bibr" rid="B213">Lora et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Berezhiani et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B198">Lancaster et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B41">Buehler and Desjacques, 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B163">Glennon et al., 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Bar-Or et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B100">Chavanis, 2021b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B178">Hui et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Boudon et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B32">Boudon et al., 2023</xref>), and gravitational waves from binary black holes in a self-interacting scalar dark matter cloud (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Boudon et al., 2024</xref>). Some works more specifically related to axion stars and their maximum mass (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>) include, for example, the detectability of accretion-induced bosenovae in the Milky Way (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Arakawa et al., 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B143">Eby et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B220">Maseizik et al., 2024</xref>), the detectability of axion stars via photon emission (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Bai and Hamada, 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B175">Hertzberg et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B248">Patk&#xf3;s, 2023</xref>) or by gravitational microlensing events (<xref ref-type="bibr" rid="B156">Fujikura et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B53">Chang et al., 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B302">Yin and Visinelli, 2024</xref>), the signature in the Lyman-<inline-formula id="inf822">
<mml:math id="m939">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> forest (<xref ref-type="bibr" rid="B130">Desjacques et al., 2018</xref>), the possibility that the recently observed <inline-formula id="inf823">
<mml:math id="m940">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.6</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> compact object in the gravitational wave event GW190814 may be a bosonic DM admixed compact star (<xref ref-type="bibr" rid="B202">Lee et al., 2021</xref>), the possibility that planet 9 may be an axion star (<xref ref-type="bibr" rid="B132">Di and Shi, 2023</xref>), and the possibility that fast radio bursts may be generated by collapsing axion stars (<xref ref-type="bibr" rid="B256">Raby, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B134">Di, 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B133">Di et al., 2024</xref>).</p>
<p>In this review, we have mainly focused on nonrelativistic self-gravitating BECs. There is of course a huge literature on boson stars in general relativity that we have just briefly mentioned. We refer to the introduction of our paper <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref> and to specific reviews on boson stars (<xref ref-type="bibr" rid="B183">Jetzer, 1992</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B209">Liddle and Madsen, 1992</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B267">Schunck and Mielke, 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B210">Liebling and Palenzuela, 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B297">Visinelli, 2021</xref>) for more details and references. It could also be interesting to further develop the analogies between BEC stars, superfluid stars, quark stars, and quark matter in neutron stars (<xref ref-type="bibr" rid="B56">Chavanis and Harko, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B170">Haghani and Harko, 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B272">Sharma et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B289">Tangphati et al., 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Banerjee et al., 2025</xref>).</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="author-contributions" id="s10">
<title>Author contributions</title>
<p>P-HC: writing &#x2013; original draft and writing &#x2013; review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s11">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that no financial support was received for the research and/or publication of this article.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s12">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The author declares that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
<p>The handling editor TM declared a past co-authorship with the author.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s13">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The authors declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s14">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<fn-group>
<fn id="fn1">
<label>1</label>
<p>The QCD axion is a pseudo-Nambu&#x2013;Goldstone boson of the Peccei&#x2013;Quinn phase transition associated with a <inline-formula id="inf824">
<mml:math id="m941">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> symmetry, which was proposed as a possible solution to the strong charge parity (CP) problem in quantum chromodynamics (QCD).</p>
</fn>
<fn id="fn2">
<label>2</label>
<p>The condensation occurs when the particles in the gas become correlated in a quantum mechanical manner, i.e., when the de Broglie thermal wavelength of a particle <inline-formula id="inf825">
<mml:math id="m942">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> turns out to be greater than the mean interparticle distance <inline-formula id="inf826">
<mml:math id="m943">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (i.e., <inline-formula id="inf827">
<mml:math id="m944">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). In the nonrelativistic regime, the exact condensation temperature is given by <inline-formula id="inf828">
<mml:math id="m945">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf829">
<mml:math id="m946">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.612</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the value of the Riemann zeta function at <inline-formula id="inf830">
<mml:math id="m947">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
<fn id="fn3">
<label>3</label>
<p>These perturbations may come from quantum fluctuations produced during the inflation. In this sense, the universe is never exactly homogeneous. It is spatially homogeneous only in an average sense. We speak of the homogeneous background.</p>
</fn>
<fn id="fn4">
<label>4</label>
<p>Spherical DM halos are connected by filaments. This network pattern with a filamentary structure is similar to the initiation of a vasculature in biology (see <xref ref-type="bibr" rid="B159">Gamba et al. (2003)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B60">Chavanis and Sire (2007)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B61">Chavanis and Sire (2008)</xref> for the development of the analogy between gravity and chemotaxis).</p>
</fn>
<fn id="fn5">
<label>5</label>
<p>Fermionic DM halos have a similar core&#x2013;envelope structure, except that the soliton is replaced by a &#x201c;fermion ball&#x201d; similar to a white dwarf or a neutron star (<xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis, 2022g</xref>). This core&#x2013;envelope structure, involving a fermion ball surrounded by an isothermal envelope, directly results from the Fermi&#x2013;Dirac distribution function coupled to gravity. Because of its isothermal distribution function, fermionic DM is an example of WDM.</p>
</fn>
<fn id="fn6">
<label>6</label>
<p>A short history of the early development of quantum mechanics (Schr&#xf6;dinger, KG and Dirac wave equations) is given in the introductions of <xref ref-type="bibr" rid="B58">Chavanis and Matos (2017)</xref>, Chavanis, In preparation.</p>
</fn>
<fn id="fn7">
<label>7</label>
<p>Actually, the Madelung hydrodynamic equations are not fully equivalent to the Schr&#xf6;dinger equation (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Bialynicki-Birula and Bialynicka-Birula, 1971</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B298">Wallstrom, 1994</xref>). To achieve perfect equivalence, we must assume that <inline-formula id="inf831">
<mml:math id="m948">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is equal to a gradient <inline-formula id="inf832">
<mml:math id="m949">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Furthermore, we must add by hand a quantization condition <inline-formula id="inf833">
<mml:math id="m950">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222e;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf834">
<mml:math id="m951">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an integer, as in the old Bohr&#x2013;Sommerfeld quantum theory. This ensures that the wavefunction is single-valued (indeed <inline-formula id="inf835">
<mml:math id="m952">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf836">
<mml:math id="m953">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> implies <inline-formula id="inf837">
<mml:math id="m954">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222e;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222e;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x222e;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Using the Stokes theorem, we obtain <inline-formula id="inf838">
<mml:math id="m955">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The vorticity <inline-formula id="inf839">
<mml:math id="m956">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vanishes everywhere, except on certain singular points where it has <inline-formula id="inf840">
<mml:math id="m957">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-type singularities. These arguments led <xref ref-type="bibr" rid="B240">Onsager (1949)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B152">Feynman (1955)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B153">Feynman (1958)</xref> to conjecture that superfluids <inline-formula id="inf841">
<mml:math id="m958">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>like</mml:mtext>
</mml:mrow> <mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can sustain singular-point vortices with circulation quantized in units of <inline-formula id="inf842">
<mml:math id="m959">
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The point vortices can group themselves to produce a macroscopic rotation of the BEC. These types of arguments (including the electromagnetic field) were also developed by <xref ref-type="bibr" rid="B135">Dirac (1931)</xref> in his theory of magnetic monopoles.</p>
</fn>
<fn id="fn8">
<label>8</label>
<p>This relation, which can be rewritten as <inline-formula id="inf843">
<mml:math id="m960">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is equivalent to the first principle of thermodynamics <inline-formula id="inf844">
<mml:math id="m961">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a barotropic gas at <inline-formula id="inf845">
<mml:math id="m962">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> where <inline-formula id="inf846">
<mml:math id="m963">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> plays the role of the density of internal energy <inline-formula id="inf847">
<mml:math id="m964">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [see Appendix H in <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>].</p>
</fn>
<fn id="fn9">
<label>9</label>
<p>The Madelung and the de Broglie hydrodynamic equations (which aim at a causal interpretation of quantum mechanics) were much criticized by the founders of quantum mechanics, notably by Pauli, because their interpretation is not clear in the case of a single particle like an electron. However, they take more sense in the case of BECs with many bosons <inline-formula id="inf848">
<mml:math id="m965">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the same quantum state that form a quantum fluid (see <xref ref-type="bibr" rid="B58">Chavanis and Matos (2017)</xref>, for discussions and references). They are now commonly adopted by the BEC community.</p>
</fn>
<fn id="fn10">
<label>10</label>
<p>The density profile of the soliton can also be obtained by directly solving the GPP equations for the wavefunction (<xref ref-type="bibr" rid="B169">Guzm&#xe1;n and Ure&#xf1;a-L&#xf3;pez, 2006</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn11">
<label>11</label>
<p>In a recent paper, <xref ref-type="bibr" rid="B181">Indjin et al. (2024)</xref> have refined this variational approach by using an ansatz for the wavefunction that depends on the self-interaction parameter <inline-formula id="inf849">
<mml:math id="m966">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. See also the paper by <xref ref-type="bibr" rid="B139">Eby et al. (2018a)</xref> who compared different ans&#xe4;tze. The form of the mass&#x2013;radius relation can be determined from a general <inline-formula id="inf850">
<mml:math id="m967">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-ansatz (<xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis, 2021a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis, 2023c</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn12">
<label>12</label>
<p>We stress the very small value of <inline-formula id="inf851">
<mml:math id="m968">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>252</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.02</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B55">Chavanis and Delfini, 2011</xref>). This shows the relevance of the TF approximation which is valid as soon as <inline-formula id="inf852">
<mml:math id="m969">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
<fn id="fn13">
<label>13</label>
<p>In a very interesting paper, <xref ref-type="bibr" rid="B127">Delgado and Mu&#xf1;oz Mateo (2023)</xref> determined the core mass and core radius of several DM-dominated halos by fitting their rotation curves with the velocity profile from <xref ref-type="disp-formula" rid="eA8">Equation A8</xref> and located them on the <inline-formula id="inf853">
<mml:math id="m970">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> curve of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> (see their Figure 4). They found that the observational data fall either deep in the TF regime (constant core radius) or just at the transition between the TF regime and the noninteracting regime. They extracted the values <inline-formula id="inf854">
<mml:math id="m971">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mn>2.2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf855">
<mml:math id="m972">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mn>7.8</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>77</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the mass and scattering length of the DM particle, respectively. These values are close to the transition scales <inline-formula id="inf856">
<mml:math id="m973">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.92</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf857">
<mml:math id="m974">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8.13</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>62</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see above) corresponding to the BECt model of <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn14">
<label>14</label>
<p>Dilute axion stars can be described by the nonrelativistic GPP equations with an attractive <inline-formula id="inf858">
<mml:math id="m975">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> potential. The case of dense axion stars is discussed in <xref ref-type="sec" rid="s4-4">Section 4.4</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn15">
<label>15</label>
<p>The noninteracting limit corresponds to <inline-formula id="inf859">
<mml:math id="m976">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> and the nongravitational limit corresponds to <inline-formula id="inf860">
<mml:math id="m977">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the nongravitational limit, a BEC with an attractive self-interaction is always unstable.</p>
</fn>
<fn id="fn16">
<label>16</label>
<p>A detailed exposition of the Poincar&#xe9; theory of linear series of equilibria is given in Appendix C.2 of <xref ref-type="bibr" rid="B4">Alberti and Chavanis (2020b)</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn17">
<label>17</label>
<p>The detailed expression of the lifetime of dilute axion stars could be useful in order to interpret future laboratory experiments of self-gravitating BECs with an effective gravity. In that case, the number <inline-formula id="inf861">
<mml:math id="m978">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of bosons will be relatively small, and the fluctuations will be important.</p>
</fn>
<fn id="fn18">
<label>18</label>
<p>Recall that the KGE and GPP equations have sometimes been used in the context of particle physics (independently from the context of boson stars) in order to describe classically extended particles consisting, e.g., of confined quarks with an effective gravity accounting for strong interactions (see the introduction of <xref ref-type="bibr" rid="B110">Chavanis (2023c)</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn19">
<label>19</label>
<p>The maximum mass can be smaller if <inline-formula id="inf862">
<mml:math id="m979">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is smaller. For example, taking <inline-formula id="inf863">
<mml:math id="m980">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B230">Mocz et al., 2023</xref>) or <inline-formula id="inf864">
<mml:math id="m981">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B247">Painter et al., 2024</xref>), one gets <inline-formula id="inf865">
<mml:math id="m982">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.78</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf866">
<mml:math id="m983">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.78</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. However, small values of <inline-formula id="inf867">
<mml:math id="m984">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may be in tension with the constraint <inline-formula id="inf868">
<mml:math id="m985">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> expected in particle physics (<inline-formula id="inf869">
<mml:math id="m986">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is bounded above by the reduced Planck mass and below by the grand unified scale of particle physics) (<xref ref-type="bibr" rid="B178">Hui et al., 2017</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn20">
<label>20</label>
<p>An axion star may grow overcritical <inline-formula id="inf870">
<mml:math id="m987">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> through accretion or through a succession of collisions and mergers with astrophysical sources (other axion stars, ordinary stars, neutron stars&#x2026;) (<xref ref-type="bibr" rid="B256">Raby, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B138">Eby et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B140">Eby et al., 2018b</xref>). We use here the word axion &#x201c;star&#x201d; in a loose sense. It could also refer to the quantum core of DM halos. A more general term could be &#x201c;axion ball&#x201d; or &#x201c;boson ball.&#x201d;</p>
</fn>
<fn id="fn21">
<label>21</label>
<p>
<xref ref-type="bibr" rid="B296">Visinelli et al. (2018)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B142">Eby et al. (2019b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B141">Eby et al. (2019a)</xref> argue that relativistic effects are crucial on the branch of dense axion stars, while self-gravity is negligible. As a result, dense axion stars correspond to &#x201c;pseudobreathers&#x201d; or &#x201c;oscillons,&#x201d; which are described by the sine-Gordon equation. For a real SF, these objects are known to be unstable and to decay via emission of relativistic axions on a timescale much shorter than any cosmological timescale. This conclusion is, however, contested by <xref ref-type="bibr" rid="B35">Braaten and Zhang (2019)</xref>. On the other hand, dense axion stars may be stable in the relativistic regime if they are made of a complex SF. In that case, they are called &#x201c;axion boson stars&#x201d; (<xref ref-type="bibr" rid="B165">Guerra et al., 2019</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn22">
<label>22</label>
<p>These results were first obtained qualitatively in <xref ref-type="bibr" rid="B290">Tkachev (1986)</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn23">
<label>23</label>
<p>It is also similar to the caloric curve of self-gravitating isothermal spheres (see Figure 3 in <xref ref-type="bibr" rid="B111">Chavanis (2023d)</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn24">
<label>24</label>
<p>We have neglected degenerate effects in the sense of Lynden&#x2013;Bell. More general kinetic equations are the fermionic Wigner&#x2013;Kramers equation and the fermionic Wigner&#x2013;Landau equation (see <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref> for details).</p>
</fn>
<fn id="fn25">
<label>25</label>
<p>The Kramers equation and the damped Euler equations satisfy a form of <inline-formula id="inf871">
<mml:math id="m988">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-theorem for the Lynden&#x2013;Bell entropy (<xref ref-type="bibr" rid="B63">Chavanis et al., 1996</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis, 2022a</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn26">
<label>26</label>
<p>The density profile of the self-gravitating isothermal sphere decreases at large distances as <inline-formula id="inf872">
<mml:math id="m989">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B52">Chandrasekhar, 1957</xref>), leading to a constant circular velocity: <inline-formula id="inf873">
<mml:math id="m990">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Many authors consider that the envelope of BECDM halos is described by the NFW profile, like for CDM halos, with a density decreasing as <inline-formula id="inf874">
<mml:math id="m991">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at large distances. However, this profile has no theoretical justification. By contrast, an isothermal distribution is justified by statistical mechanics as being the most probable equilibrium state. There are results from numerical simulations of the SP equations tending to corroborate the fact that the envelope of BECDM halos is isothermal. For example, <xref ref-type="bibr" rid="B292">Veltmaat et al. (2018)</xref> find that the velocity distribution in the envelope is Maxwellian. For virialized spherical halos, according to the Jeans theorem (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Binney and Tremaine, 1987</xref>), this implies that the envelope is isothermal, being described by the Boltzmann distribution from <xref ref-type="disp-formula" rid="e60">Equation 60</xref>. On the other hand, <xref ref-type="bibr" rid="B227">Mocz et al. (2018)</xref> find that the density of BECDM halos decreases at large distances as <inline-formula id="inf875">
<mml:math id="m992">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> which is characteristic of an isothermal distribution.</p>
</fn>
<fn id="fn27">
<label>27</label>
<p>The recent results of Gaia DR3 (<xref ref-type="bibr" rid="B185">Jiao et al., 2023</xref>) indicate that the rotation curve of the Milky Way decreases more rapidly than previously thought. In the framework of the King model (<xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al., 2015a</xref>), this suggests that the halo is more &#x201c;polytropic&#x201d; than &#x201c;isothermal&#x201d; (see Figs. 21 and 27 in <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al. (2015a)</xref>) in the sense that it is strongly concentrated (see <xref ref-type="bibr" rid="B197">Krut et al. (2025)</xref> for fermionic DM halos). It has been suggested (<xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al., 2015a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B65">Chavanis et al., 2015b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B276">Simon-Petit et al., 2019</xref>) that the virialized state resulting from violent relaxation could correspond to H&#xe9;non&#x2019;s isochrone profile with a <inline-formula id="inf876">
<mml:math id="m993">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> density decay (<xref ref-type="bibr" rid="B174">Henon, 1959</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn28">
<label>28</label>
<p>We have written here the <italic>refined</italic> Eddington relation obtained in <xref ref-type="bibr" rid="B92">Chavanis (2019c)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B106">Chavanis (2022f)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B113">Chavanis (2024b)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B114">Chavanis (2024c)</xref>. This relation provides a remarkable agreement with the observations and solves the cosmological constant problem.</p>
</fn>
<fn id="fn29">
<label>29</label>
<p>The equation of state (<xref ref-type="disp-formula" rid="e72">Equation 72</xref>) and the corresponding generalized Lane&#x2013;Emden equation introduced in <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B101">Chavanis (2022a)</xref> have been used in <xref ref-type="bibr" rid="B122">Dawoodbhoy et al. (2021)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B271">Shapiro et al. (2022)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B251">Pils and Rindler-Daller (2022)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B154">Foidl et al. (2023)</xref> to approximate their accurately simulated halo profiles (see also <xref ref-type="bibr" rid="B196">Korshynska et al. (2023)</xref>). Their studies confirm that an isothermal equation of state correctly describes the envelope of BECDM halos.</p>
</fn>
<fn id="fn30">
<label>30</label>
<p>We call it the Lynden&#x2013;Bell entropy (for the coarse-grained distribution function <inline-formula id="inf877">
<mml:math id="m994">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) instead of the Boltzmann entropy (for the fine-grained distribution function <inline-formula id="inf878">
<mml:math id="m995">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) because, in the present context, the equilibrium state of a DM halo results from a process of collisionless violent relaxation, not a process of collisional relaxation (<xref ref-type="bibr" rid="B104">Chavanis, 2022d</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn31">
<label>31</label>
<p>A short history of the statistical mechanics of self-gravitating systems is given in the introductions of <xref ref-type="bibr" rid="B3">Alberti and Chavanis (2020a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">Alberti and Chavanis (2020b)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B98">Chavanis (2020e)</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn32">
<label>32</label>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e75">Equation 75</xref> with <inline-formula id="inf879">
<mml:math id="m996">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is valid only for the minimum halo (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>) which is a pure soliton without envelope.</p>
</fn>
<fn id="fn33">
<label>33</label>
<p>Similarly, for fermionic DM halos, using the mass&#x2013;radius relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e89">Equation 89</xref>, we find <inline-formula id="inf880">
<mml:math id="m997">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis, 2022g</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn34">
<label>34</label>
<p>This relation was empirically introduced in <xref ref-type="bibr" rid="B226">Mocz et al. (2017)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">Bar et al. (2018)</xref> without rigorous justification. In <xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis (2019d)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B90">Chavanis (2019a)</xref>, we provided a thermodynamical justification. We determined the actual core mass <inline-formula id="inf881">
<mml:math id="m998">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a BECDM halo by maximizing the Lynden&#x2013;Bell entropy <inline-formula id="inf882">
<mml:math id="m999">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at fixed total mass and total energy and showed that it satisfies the velocity dispersion tracing relation from <xref ref-type="disp-formula" rid="e79">Equation 79</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn35">
<label>35</label>
<p>The numerical values in this expression rely on the Gaussian ansatz. As a result, the values of the parameters obtained below slightly differ from the &#x201c;exact&#x201d; values given in the previous sections.</p>
</fn>
<fn id="fn36">
<label>36</label>
<p>Of course, there is always the possibility that the quantum core grows by accretion and reaches the maximum mass (see the conclusion for references on this topic).</p>
</fn>
<fn id="fn37">
<label>37</label>
<p>Note that the maximum of the core mass&#x2013;halo mass relation <inline-formula id="inf883">
<mml:math id="m1000">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> differs from the critical mass <inline-formula id="inf884">
<mml:math id="m1001">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NR</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when the DM halo contains a central black hole (<xref ref-type="bibr" rid="B94">Chavanis, 2020a</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn38">
<label>38</label>
<p>Conversely, the values of the DM particle mass computed in the present section lead to a minimum halo of mass <inline-formula id="inf885">
<mml:math id="m1002">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2299;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and radius <inline-formula id="inf886">
<mml:math id="m1003">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>0.05</mml:mn>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B93">Chavanis, 2019d</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis, 2022g</xref>) much smaller than the mass of the halos observed in the Universe (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>). Therefore, this scenario cannot apparently solve the missing satellite problem.</p>
</fn>
<fn id="fn39">
<label>39</label>
<p>These comments also apply to fermionic DM (<xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis, 2022g</xref>) for which gravitational encounters are completely negligible (Bose enhancement which increases the effective mass of the particles is replaced by Pauli blocking, which reduces the effective mass of the particles and increases the gravitational relaxation time (<xref ref-type="bibr" rid="B100">Chavanis, 2021b</xref>)).</p>
</fn>
<fn id="fn40">
<label>40</label>
<p>The Burkert profile is similar to the NFW profile (<xref ref-type="bibr" rid="B233">Navarro et al., 1996</xref>) at large distances, but it presents a central core instead of a <inline-formula id="inf887">
<mml:math id="m1004">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> cusp when <inline-formula id="inf888">
<mml:math id="m1005">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in agreement with the observations.</p>
</fn>
<fn id="fn41">
<label>41</label>
<p>In the second case, we need to assume the presence of a primordial central SMBH to account for the observations.</p>
</fn>
<fn id="fn42">
<label>42</label>
<p>This scenario assumes that fermionic DM is self-interacting so as to justify its secular evolution. These ideas also apply to other models of SIDM and WDM. Indeed, fermionic DM, SIDM, and WDM halos present an isothermal core and may experience a gravothermal catastrophe. For not too massive DM halos, the collapse of the core is stopped by quantum mechanics (Pauli&#x2019;s exclusion principle) or by the repulsive self-interaction of the particles. For massive DM halos, core collapse leads to the formation of an SMBH as proposed in <xref ref-type="bibr" rid="B14">Balberg et al. (2002)</xref> and further discussed in <xref ref-type="bibr" rid="B64">Chavanis et al. (2015a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B65">Chavanis et al. (2015b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B98">Chavanis (2020e)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B54">Chavanis and Alberti (2020)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">Alberti and Chavanis (2020b)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B111">Chavanis (2023d)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref> (see in particular Sec. XIII.D of <xref ref-type="bibr" rid="B107">Chavanis (2022g)</xref>).</p>
</fn>
<fn id="fn43">
<label>43</label>
<p>A short history of the Jeans instability is given in the introductions of <xref ref-type="bibr" rid="B76">Chavanis (2012a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B284">Su&#xe1;rez and Chavanis (2018)</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn44">
<label>44</label>
<p>WDM also implies a nonzero Jeans length due to the velocity dispersion of the particles.</p>
</fn>
<fn id="fn45">
<label>45</label>
<p>This is essentially a toy model, useful in a first approach, because it turns out that one can never neglect the expansion of the universe when studying the growth of structures in cosmology (see <xref ref-type="bibr" rid="B284">Su&#xe1;rez and Chavanis (2018)</xref> for details). Therefore, the study of <xref ref-type="sec" rid="s8-3">Section 8.3</xref> is more relevant.</p>
</fn>
<fn id="fn46">
<label>46</label>
<p>For a repulsive self-interaction <inline-formula id="inf889">
<mml:math id="m1006">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>,</inline-formula> the system is always stable in the absence of self-gravity <inline-formula id="inf890">
<mml:math id="m1007">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
<fn id="fn47">
<label>47</label>
<p>A cosmology with a stiff matter era has been developed in <xref ref-type="bibr" rid="B80">Chavanis (2015a)</xref> at a general level (not necessarily connected to BECs). New analytical solutions of the Friedmann equations have been obtained for a Universe undergoing a stiff matter era, a DM era, and a DE era due to the cosmological constant.</p>
</fn>
<fn id="fn48">
<label>48</label>
<p>See the introductions of (<xref ref-type="bibr" rid="B78">Chavanis, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B79">Chavanis, 2014</xref>) for a short history of the early development of modern cosmology.</p>
</fn>
<fn id="fn49">
<label>49</label>
<p>These results can be applied to the standard BEC described by the quadratic equation of state from <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref> in the TF limit. They can also be applied to fermions described by the polytropic equation of state from <xref ref-type="disp-formula" rid="e87">Equation 87</xref>.</p>
</fn>
<fn id="fn50">
<label>50</label>
<p>In a sense, the maximum mass of dilute axion stars (<xref ref-type="bibr" rid="B109">Chavanis, 2023b</xref>) is the counterpart of the Chandrasekhar mass of white dwarfs (<xref ref-type="bibr" rid="B48">Chandrasekhar, 1931</xref>) or the Oppenheimer&#x2013;Volkoff mass of neutron stars (<xref ref-type="bibr" rid="B241">Oppenheimer and Volkoff, 1939</xref>), but it has a nonrelativistic origin.</p>
</fn>
<fn id="fn51">
<label>51</label>
<p>For a Gaussian density profile, the relation between the radius <inline-formula id="inf891">
<mml:math id="m1008">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the radius <inline-formula id="inf892">
<mml:math id="m1009">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> containing <inline-formula id="inf893">
<mml:math id="m1010">
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
<mml:mi>%</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the mass is <inline-formula id="inf894">
<mml:math id="m1011">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf895">
<mml:math id="m1012">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.38167</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>).</p>
</fn>
</fn-group>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ade</surname>
<given-names>P. A. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aghanim</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Armitage-Caplan</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arnaud</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ashdown</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Atrio-Barandela</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>571</volume>, <fpage>A16</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361/201321591</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ade</surname>
<given-names>P. A. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aghanim</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arnaud</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ashdown</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aumont</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baccigalupi</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>594</volume>, <fpage>A13</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361/201525830</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alberti</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Caloric curves of classical self-gravitating systems in general relativity</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>101</volume>, <fpage>052105</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.101.052105</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32575217</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alberti</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Caloric curves of self-gravitating fermions in general relativity</article-title>. <source>Eur. Phys. J. B</source> <volume>93</volume>, <fpage>208</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjb/e2020-100557-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alcubierre</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Becerril</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guzm&#xe1;n</surname>
<given-names>F. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>N&#xfa;&#xf1;ez</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ure&#xf1;a-L&#xf3;pez</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Numerical studies of &#x3a6;<sup>2</sup>-oscillatons</article-title>. <source>Class. Quantum Gravity</source> <volume>20</volume>, <fpage>2883</fpage>&#x2013;<lpage>2903</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0264-9381/20/13/332</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>&#xc1;lvarez-Rios</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bernal</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guzm&#xe1;n</surname>
<given-names>F. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Galactic rotation curves of low surface brightness galaxies using core-halo fuzzy dark matter configurations</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>110</volume>, <fpage>063502</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.063502</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Amin</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Formation, gravitational clustering, and interactions of nonrelativistic solitons in an expanding universe</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>100</volume>, <fpage>063507</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.100.063507</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arakawa</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Safronova</surname>
<given-names>M. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takhistov</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zaheer</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Detection of bosenovae with quantum sensors on Earth and in space</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>110</volume>, <fpage>075007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.075007</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arbey</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lesgourgues</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salati</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Quintessential halos around galaxies</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>64</volume>, <fpage>123528</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.64.123528</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arbey</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lesgourgues</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salati</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Galactic halos of fluid dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>68</volume>, <fpage>023511</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.68.023511</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arg&#xfc;elles</surname>
<given-names>C. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>D&#xed;az</surname>
<given-names>M. I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Krut</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yunis</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>On the formation and stability of fermionic dark matter haloes in a cosmological framework</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>502</volume>, <fpage>4227</fpage>&#x2013;<lpage>4246</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/staa3986</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arg&#xfc;elles</surname>
<given-names>C. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Becerra-Vergara</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rueda</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruffini</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Fermionic dark matter: physics, astrophysics, and cosmology</article-title>. <source>Universe</source> <volume>9</volume>, <fpage>197</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/universe9040197</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bai</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hamada</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Detecting axion stars with radio telescopes</article-title>. <source>Phys. Lett. B</source> <volume>781</volume>, <fpage>187</fpage>&#x2013;<lpage>194</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physletb.2018.03.070</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Balberg</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Inagaki</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Self-interacting dark matter halos and the gravothermal catastrophe</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>568</volume>, <fpage>475</fpage>&#x2013;<lpage>487</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/339038</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Baldeschi</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gelmini</surname>
<given-names>G. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruffini</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1983</year>). <article-title>On massive fermions and bosons in galactic halos</article-title>. <source>Phys. Lett. B</source> <volume>122</volume>, <fpage>221</fpage>&#x2013;<lpage>224</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-2693(83)90688-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ba&#xf1;ados</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ferreira</surname>
<given-names>P. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Eddington&#x2019;s theory of gravity and its progeny</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>105</volume>, <fpage>011101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.105.011101</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">20867432</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Banerjee</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pradhan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sakall&#x131;</surname>
<given-names>&#x130;.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dixit</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2025</year>). <article-title>Properties of interacting quark star in light of Rastall gravity</article-title>. <source>Class. Quantum Gravity</source> <volume>42</volume>, <fpage>025008</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-6382/ad9c0f</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bar</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Blas</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Blum</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sibiryakov</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Galactic rotation curves versus ultralight dark matter: implications of the soliton-host halo relation</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>98</volume>, <fpage>083027</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.083027</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bar-Or</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fouvry</surname>
<given-names>J.-B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tremaine</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Relaxation in a fuzzy dark matter halo</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>871</volume>, <fpage>28</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3847/1538-4357/aaf28c</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bar-Or</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fouvry</surname>
<given-names>J.-B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tremaine</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Relaxation in a fuzzy dark matter halo. II. Self-Consistent kinetic equations</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>915</volume>, <fpage>27</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3847/1538-4357/abfb66</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Berezhiani</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elder</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khoury</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Dynamical friction in superfluids</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2019</volume>, <fpage>074</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2019/10/074</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Berezhiani</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cintia</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khoury</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Thermalization, fragmentation, and tidal disruption: the complex galactic dynamics of dark matter superfluidity</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>107</volume>, <fpage>123010</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.107.123010</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bialynicki-Birula</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bialynicka-Birula</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1971</year>). <article-title>Magnetic monopoles in the hydrodynamic formulation of quantum mechanics</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>3</volume>, <fpage>2410</fpage>&#x2013;<lpage>2412</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.3.2410</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bianchi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grasso</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruffini</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Jeans mass of a cosmological coherent scalar field</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>231</volume>, <fpage>301</fpage>&#x2013;<lpage>308</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bilic</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tupper</surname>
<given-names>G. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Viollier</surname>
<given-names>R. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). &#x201c;<article-title>Dark matter in the galaxy</article-title>,&#x201d; in <source>Particle physics in the new millennium</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Trampeti</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wess</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group>, <volume>616</volume>, <fpage>24</fpage>&#x2013;<lpage>38</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/3-540-36539-7_2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Binney</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tremaine</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1987</year>). <source>Galactic dynamics</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bode</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ostriker</surname>
<given-names>J. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Turok</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Halo Formation in warm dark matter models</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>556</volume>, <fpage>93</fpage>&#x2013;<lpage>107</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/321541</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bogoliubov</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1947</year>). <article-title>On the theory of superfluidity</article-title>. <source>J. Phys.</source> <volume>11</volume>, <fpage>23</fpage>&#x2013;<lpage>32</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>B&#xf6;hmer</surname>
<given-names>C. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harko</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Can dark matter be a Bose Einstein condensate?</article-title> <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2007</volume>, <fpage>025</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2007/06/025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bonnor</surname>
<given-names>W. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1957</year>). <article-title>Jeans&#x2019; formula for gravitational instability</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>117</volume>, <fpage>104</fpage>&#x2013;<lpage>117</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/117.1.104</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Boudon</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Subsonic accretion and dynamical friction for a black hole moving through a self-interacting scalar dark matter cloud</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>106</volume>, <fpage>043507</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.043507</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Boudon</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Supersonic friction of a black hole traversing a self-interacting scalar dark matter cloud</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>108</volume>, <fpage>103517</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.108.103517</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Boudon</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wong</surname>
<given-names>L. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Gravitational waves from binary black holes in a self-interacting scalar dark matter cloud</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>109</volume>, <fpage>043504</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.109.043504</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Boyle</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Caldwell</surname>
<given-names>R. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kamionkowski</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Spintessence! New models for dark matter and dark energy</article-title>. <source>Phys. Lett. B</source> <volume>545</volume>, <fpage>17</fpage>&#x2013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0370-2693(02)02590-X</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Braaten</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Colloquium: the physics of axion stars</article-title>. <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>91</volume>, <fpage>041002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.91.041002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Braaten</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mohapatra</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Dense axion stars</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>117</volume>, <fpage>121801</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.117.121801</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">27689265</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cembranos</surname>
<given-names>J. A. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Impact of kinetic and potential self-interactions on scalar dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>100</volume>, <fpage>023526</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.100.023526</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cembranos</surname>
<given-names>J. A. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Fate of scalar dark matter solitons around supermassive galactic black holes</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>101</volume>, <fpage>023521</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.101.023521</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cembranos</surname>
<given-names>J. A. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>K-essence scalar dark matter solitons around supermassive black holes</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>101</volume>, <fpage>063510</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.101.063510</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cembranos</surname>
<given-names>J. A. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020c</year>). <article-title>Nonrelativistic formation of scalar clumps as a candidate for dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>102</volume>, <fpage>083012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.102.083012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Buehler</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Desjacques</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Dynamical friction in fuzzy dark matter: circular orbits</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>107</volume>, <fpage>023516</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.107.023516</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bullock</surname>
<given-names>J. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boylan-Kolchin</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Small-scale challenges to the <bold>&#x39b;</bold>CDM paradigm</article-title>. <source>Annu. Rev. Astron. Astrophys.</source> <volume>55</volume>, <fpage>343</fpage>&#x2013;<lpage>387</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-astro-091916-055313</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Burkert</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <article-title>The structure of dark matter halos in dwarf galaxies</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>447</volume>, <fpage>L25</fpage>&#x2013;<lpage>L28</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/309560</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Burkert</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Fuzzy dark matter and dark matter halo cores</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>904</volume>, <fpage>161</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3847/1538-4357/abb242</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Calogero</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1997</year>). <article-title>Cosmic origin of quantization</article-title>. <source>Phys. Lett. A</source> <volume>228</volume>, <fpage>335</fpage>&#x2013;<lpage>346</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0375-9601(97)00107-2</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Carvente</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jaramillo</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Escamilla-Rivera</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>N&#xfa;&#xf1;ez</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Observational constraints on complex quintessence with attractive self-interaction</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>503</volume>, <fpage>4008</fpage>&#x2013;<lpage>4015</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stab650</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chandrasekhar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fermi</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1953</year>). <article-title>Problems of gravitational stability in the presence of a magnetic field</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>118</volume>, <fpage>116</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/145732</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chandrasekhar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1931</year>). <article-title>The maximum mass of ideal white dwarfs</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>74</volume>, <fpage>81</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/143324</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chandrasekhar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1942</year>). <source>Principles of stellar dynamics</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chandrasekhar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1954</year>). <article-title>The gravitational instability of an infinite homogeneous medium when Coriolis force is acting and a magnetic field is present</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>119</volume>, <fpage>7</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/145790</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chandrasekhar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1955</year>). <article-title>The gravitational instability of an infinite homogeneous medium when a Coriolis acceleration is acting</article-title>. <source>Vistas Astronomy</source> <volume>1</volume>, <fpage>344</fpage>&#x2013;<lpage>347</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0083-6656(55)90045-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B52">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chandrasekhar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1957</year>). <source>An introduction to the study of stellar structure</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B53">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chang</surname>
<given-names>J. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fox</surname>
<given-names>P. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Axion stars: mass functions and constraints</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2024</volume>, <fpage>023</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2024/08/023</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B54">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alberti</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Gravitational phase transitions and instabilities of self-gravitating fermions in general relativity</article-title>. <source>Phys. Lett. B</source> <volume>801</volume>, <fpage>135155</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physletb.2019.135155</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B55">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Delfini</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Mass-radius relation of Newtonian self-gravitating Bose-Einstein condensates with short-range interactions. II. Numerical results</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>84</volume>, <fpage>043532</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.84.043532</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B56">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harko</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Bose-Einstein condensate general relativistic stars</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>86</volume>, <fpage>064011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.86.064011</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B57">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kumar</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Comparison between the Logotropic and &#x39b;CDM models at the cosmological scale</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2017</volume>, <fpage>018</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2017/05/018</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B58">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Covariant theory of Bose-Einstein condensates in curved spacetimes with electromagnetic interactions: the hydrodynamic approach</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>132</volume>, <fpage>30</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/i2017-11292-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B59">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sire</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Anomalous diffusion and collapse of self-gravitating Langevin particles in D dimensions</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>69</volume>, <fpage>016116</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.69.016116</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">14995676</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B60">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sire</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Kinetic and hydrodynamic models of chemotactic aggregation</article-title>. <source>Phys. A Stat. Mech. its Appl.</source> <volume>384</volume>, <fpage>199</fpage>&#x2013;<lpage>222</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2007.05.069</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B61">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sire</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Jeans type analysis of chemotactic collapse</article-title>. <source>Phys. A Stat. Mech. its Appl.</source> <volume>387</volume>, <fpage>4033</fpage>&#x2013;<lpage>4052</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2008.02.025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B63">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sommeria</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Robert</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Statistical mechanics of two-dimensional vortices and collisionless stellar systems</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>471</volume>, <fpage>385</fpage>&#x2013;<lpage>399</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/177977</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B64">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lemou</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>M&#xe9;hats</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015a</year>). <article-title>Models of dark matter halos based on statistical mechanics: the classical King model</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>91</volume>, <fpage>063531</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.91.063531</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B65">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lemou</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>M&#xe9;hats</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015b</year>). <article-title>Models of dark matter halos based on statistical mechanics: the fermionic King model</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>92</volume>, <fpage>123527</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.92.123527</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B66">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Denet</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Le Berre</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pomeau</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Supernova implosion-explosion in the light of catastrophe theory</article-title>. <source>Eur. Phys. J. B</source> <volume>92</volume>, <fpage>271</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjb/e2019-100435-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B67">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>On the &#x201c;coarse-grained&#x201d; evolution of collisionless stellar systems</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>300</volume>, <fpage>981</fpage>&#x2013;<lpage>991</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1046/j.1365-8711.1998.01867.x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B68">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Gravitational instability of finite isothermal spheres in general relativity. Analogy with neutron stars</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>381</volume>, <fpage>709</fpage>&#x2013;<lpage>730</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:20011424</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B69">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>On the lifetime of metastable states in self-gravitating systems</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>432</volume>, <fpage>117</fpage>&#x2013;<lpage>138</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:20041114</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B70">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Phase transitions in self-gravitating systems</article-title>. <source>Int. J. Mod. Phys. B</source> <volume>20</volume>, <fpage>3113</fpage>&#x2013;<lpage>3198</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0217979206035400</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B71">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>White dwarf stars in D dimensions</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>76</volume>, <fpage>023004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.76.023004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B72">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Relativistic stars with a linear equation of state: analogy with classical isothermal spheres and black holes</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>483</volume>, <fpage>673</fpage>&#x2013;<lpage>698</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361:20078287</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B73">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011a</year>). <article-title>BEC dark matter, Zeldovich approximation, and generalized Burgers equation</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>84</volume>, <fpage>063518</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.84.063518</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B74">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011b</year>). <article-title>Instability of a uniformly collapsing cloud of classical and quantum self-gravitating Brownian particles</article-title>. <source>Phys. Rev. E</source> <volume>84</volume>, <fpage>031101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.84.031101</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">22060322</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B75">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011c</year>). <article-title>Mass-radius relation of Newtonian self-gravitating Bose-Einstein condensates with short-range interactions. I. Analytical results</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>84</volume>, <fpage>043531</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.84.043531</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B76">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012a</year>). <article-title>Dynamical stability of infinite homogeneous self-gravitating systems and plasmas: application of the Nyquist method</article-title>. <source>Eur. Phys. J. B</source> <volume>85</volume>, <fpage>229</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjb/e2012-21012-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B77">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012b</year>). <article-title>Growth of perturbations in an expanding universe with Bose-Einstein condensate dark matter</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>537</volume>, <fpage>A127</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361/201116905</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B78">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). &#x201c;<article-title>A simple model of universe describing the early inflation and the late accelerated expansion in a symmetric manner</article-title>,&#x201d; in <source>IX Mexican school on gravitation and mathematical physics: cosmology for the XXIst century: gravitation and mathematical physics division of the Mexican physical society DGFM-SMF</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Ure&#xf1;a-L&#xf3;pez</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Becerril-B&#xe1;rcenas</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Linares-Romero</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group>, <fpage>75</fpage>&#x2013;<lpage>115</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4817032</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B79">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Models of universe with a polytropic equation of state: I. The early universe</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>129</volume>, <fpage>38</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/i2014-14038-x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B80">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015a</year>). <article-title>Cosmology with a stiff matter era</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>92</volume>, <fpage>103004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.92.103004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B81">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015b</year>). <article-title>Is the universe logotropic?</article-title> <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>130</volume>, <fpage>130</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/i2015-15130-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B82">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015c</year>). <article-title>Partially relativistic self-gravitating Bose-Einstein condensates with a stiff equation of state</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>130</volume>, <fpage>181</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/i2015-15181-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B83">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015d</year>). &#x201c;<article-title>Self-gravitating Bose-Einstein condensates</article-title>,&#x201d; in <source>Quantum aspects of black holes</source>. Editor <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Calmet</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group>, <fpage>151</fpage>&#x2013;<lpage>194</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-319-10852-0_6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B84">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016a</year>). <article-title>Collapse of a self-gravitating Bose-Einstein condensate with attractive self-interaction</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>94</volume>, <fpage>083007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.94.083007</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B85">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016b</year>). <article-title>The Logotropic Dark Fluid as a unification of dark matter and dark energy</article-title>. <source>Phys. Lett. B</source> <volume>758</volume>, <fpage>59</fpage>&#x2013;<lpage>66</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physletb.2016.04.042</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B86">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017a</year>). <article-title>Derivation of a generalized Schr&#xf6;dinger equation from the theory of scale relativity</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>132</volume>, <fpage>286</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/i2017-11528-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B87">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017b</year>). <article-title>Dissipative self-gravitating Bose-Einstein condensates with arbitrary nonlinearity as a model of dark matter halos</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>132</volume>, <fpage>248</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/i2017-11544-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B88">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018a</year>). <article-title>Derivation of a generalized Schr&#xf6;dinger equation for dark matter halos from the theory of scale relativity</article-title>. <source>Phys. Dark Universe</source> <volume>22</volume>, <fpage>80</fpage>&#x2013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.dark.2018.09.004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B89">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018b</year>). <article-title>Phase transitions between dilute and dense axion stars</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>98</volume>, <fpage>023009</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.023009</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B90">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019a</year>). <article-title>Derivation of the core mass-halo mass relation of fermionic and bosonic dark matter halos from an effective thermodynamical model</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>100</volume>, <fpage>123506</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.100.123506</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B91">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019b</year>). <article-title>Mass-radius relation of self-gravitating Bose-Einstein condensates with a central black hole</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>134</volume>, <fpage>352</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/i2019-12734-7</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B92">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019c</year>). <article-title>New predictions from the logotropic model</article-title>. <source>Phys. Dark Universe</source> <volume>24</volume>, <fpage>100271</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.dark.2019.100271</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B93">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019d</year>). <article-title>Predictive model of BEC dark matter halos with a solitonic core and an isothermal atmosphere</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>100</volume>, <fpage>083022</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.100.083022</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B94">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Core mass-halo mass relation of bosonic and fermionic dark matter halos harboring a supermassive black hole</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>101</volume>, <fpage>063532</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.101.063532</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B95">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Jeans instability of dissipative self-gravitating Bose&#x2013;Einstein condensates with repulsive or attractive <inline-formula id="inf2811">
<mml:math id="m3311">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction: application to dark matter</article-title>. <source>Universe</source> <volume>6</volume>, <fpage>226</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/universe6120226</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B96">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020c</year>). <article-title>Quantum tunneling rate of dilute axion stars close to the maximum mass</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>102</volume>, <fpage>083531</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.102.083531</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B97">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020d</year>). <article-title>Statistical mechanics of self-gravitating systems in general relativity: I. The quantum Fermi gas</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>135</volume>, <fpage>290</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-020-00268-0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B98">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020e</year>). <article-title>Statistical mechanics of self-gravitating systems in general relativity: II. The classical Boltzmann gas</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>135</volume>, <fpage>310</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-020-00291-1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B99">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021a</year>). <article-title>Jeans mass-radius relation of self-gravitating Bose-Einstein condensates and typical parameters of the dark matter particle</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>103</volume>, <fpage>123551</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.103.123551</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B100">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021b</year>). <article-title>Landau equation for self-gravitating classical and quantum particles: application to dark matter</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>136</volume>, <fpage>703</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-021-01617-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B101">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022a</year>). <article-title>A heuristic wave equation parameterizing BEC dark matter halos with a quantum core and an isothermal atmosphere</article-title>. <source>Eur. Phys. J. B</source> <volume>95</volume>, <fpage>48</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjb/s10051-022-00299-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B102">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022b</year>). <article-title>Cosmological models based on a complex scalar field with a power-law potential associated with a polytropic equation of state</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>106</volume>, <fpage>043502</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.043502</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B103">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022c</year>). <article-title>K-essence Lagrangians of polytropic and logotropic unified dark matter and dark energy models</article-title>. <source>Astronomy</source> <volume>1</volume>, <fpage>126</fpage>&#x2013;<lpage>221</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/astronomy1030011</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B104">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022d</year>). <article-title>Kinetic theory of collisionless relaxation for systems with long-range interactions</article-title>. <source>Phys. A Stat. Mech. Appl.</source> <volume>606</volume>, <fpage>128089</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2022.128089</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B105">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022e</year>). <article-title>New logotropic model based on a complex scalar field with a logarithmic potential</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>106</volume>, <fpage>063525</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.063525</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B106">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022f</year>). <article-title>Predictions from the logotropic model: the universal surface density of dark matter halos and the present proportions of dark matter and dark energy</article-title>. <source>Phys. Dark Universe</source> <volume>37</volume>, <fpage>101098</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.dark.2022.101098</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B107">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022g</year>). <article-title>Predictive model of fermionic dark matter halos with a quantum core and an isothermal atmosphere</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>106</volume>, <fpage>043538</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.043538</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B108">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023a</year>). <article-title>Generalized equations in quantum mechanics and Brownian theory</article-title>. <source>Symmetry</source> <volume>15</volume>, <fpage>2195</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/sym15122195</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B109">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023b</year>). &#x201c;<article-title>The maximum mass of dilute axion stars</article-title>,&#x201d; in <source>The sixteenth Marcel Grossmann meeting on recent developments in theoretical and experimental general relativity, astrophysics, and relativistic field theories</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Ruffini</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vereshchagin</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group>, <fpage>2149</fpage>&#x2013;<lpage>2173</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/9789811269776_0168</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B110">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023c</year>). <article-title>Maximum mass of relativistic self-gravitating Bose-Einstein condensates with repulsive or attractive &#x7C;&#x3c6;&#x7C; <sup>4</sup> self-interaction</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>107</volume>, <fpage>103503</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.107.103503</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B111">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023d</year>). &#x201c;<article-title>The self-gravitating Fermi gas in Newtonian gravity and general relativity</article-title>,&#x201d; in <source>The sixteenth Marcel Grossmann meeting on recent developments in theoretical and experimental general relativity, astrophysics, and relativistic field theories</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Ruffini</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vereshchagin</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group>, <fpage>2230</fpage>&#x2013;<lpage>2251</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/9789811269776_0174</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B112">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024a</year>). <article-title>On the connection between Nelson&#x2019;s stochastic quantum mechanics and Nottale&#x2019;s theory of scale relativity</article-title>. <source>Axioms</source> <volume>13</volume>, <fpage>606</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/axioms13090606</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B113">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024b</year>). <article-title>A mass scale law connecting cosmophysics to microphysics</article-title>. <source>Phys. Dark Universe</source> <volume>44</volume>, <fpage>101420</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.dark.2024.101420</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B114">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024c</year>). <article-title>A simple model of magnetic universe without singularity associated with a quadratic equation of state</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Plus</source> <volume>139</volume>, <fpage>889</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-024-05617-x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B115">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lentz</surname>
<given-names>E. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marsh</surname>
<given-names>D. J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>New insights into the formation and growth of boson stars in dark matter halos</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>104</volume>, <fpage>083022</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.104.083022</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B116">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lentz</surname>
<given-names>E. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marsh</surname>
<given-names>D. J. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Relaxation times for Bose-Einstein condensation by self-interaction and gravity</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>106</volume>, <fpage>023009</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.023009</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B117">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chiao</surname>
<given-names>R. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Garmire</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Townes</surname>
<given-names>C. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1964</year>). <article-title>Self-trapping of optical beams</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>13</volume>, <fpage>479</fpage>&#x2013;<lpage>482</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.13.479</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B118">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Colpi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wasserman</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1986</year>). <article-title>Boson stars: gravitational equilibria of self-interacting scalar fields</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>57</volume>, <fpage>2485</fpage>&#x2013;<lpage>2488</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.57.2485</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10033779</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B119">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cotner</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Collisional interactions between self-interacting nonrelativistic boson stars: effective potential analysis and numerical simulations</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>94</volume>, <fpage>063503</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.94.063503</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B120">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Davidson</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwetz</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Rotating drops of axion dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>93</volume>, <fpage>123509</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.93.123509</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B121">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Davies</surname>
<given-names>E. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Fuzzy dark matter soliton cores around supermassive black holes</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>492</volume>, <fpage>5721</fpage>&#x2013;<lpage>5729</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/staa202</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B122">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dawoodbhoy</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>P. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Core-envelope haloes in scalar field dark matter with repulsive self-interaction: fluid dynamics beyond the de Broglie wavelength</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>506</volume>, <fpage>2418</fpage>&#x2013;<lpage>2444</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stab1859</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B123">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>de Broglie</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1927a</year>). <article-title>Corpuscules et ondes</article-title>. <source>Compt. Rend. Acad. Sci. Paris</source> <volume>185</volume>, <fpage>1118</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B124">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>de Broglie</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1927b</year>). <article-title>La m&#xe9;canique ondulatoire et la structure atomique de la mati&#xe8;re et du rayonnement</article-title>. <source>J. de Physique le Radium</source> <volume>8</volume>, <fpage>225</fpage>&#x2013;<lpage>241</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/jphysrad:0192700805022500</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B125">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>de Broglie</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1927c</year>). <article-title>Sur le r&#xf4;le des ondes continues &#x3a8; en M&#xe9;canique ondulatoire</article-title>. <source>Compt. Rend. Acad. Sci. Paris</source> <volume>185</volume>, <fpage>380</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B126">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>de la Pe&#xf1;a</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cetto</surname>
<given-names>A. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vald&#xe9;s Hern&#xe1;ndez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <source>The emerging quantum: the physics behind quantum mechanics</source>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-319-07893-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B127">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Delgado</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mu&#xf1;oz Mateo</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Self-interacting superfluid dark matter droplets</article-title>. <source>Mon. Notices R. Astronomical Soc.</source> <volume>518</volume>, <fpage>4064</fpage>&#x2013;<lpage>4072</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stac3386</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B128">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hertzberg</surname>
<given-names>M. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Namjoo</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Masoumi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Can light dark matter solve the core-cusp problem?</article-title> <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>98</volume>, <fpage>023513</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.023513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B129">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Derrick</surname>
<given-names>G. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1964</year>). <article-title>Comments on nonlinear wave equations as models for elementary particles</article-title>. <source>J. Math. Phys.</source> <volume>5</volume>, <fpage>1252</fpage>&#x2013;<lpage>1254</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1704233</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B130">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Desjacques</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kehagias</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Riotto</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Impact of ultralight axion self-interactions on the large scale structure of the Universe</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>97</volume>, <fpage>023529</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.97.023529</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B131">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Destri</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Vega</surname>
<given-names>H. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sanchez</surname>
<given-names>N. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Fermionic warm dark matter produces galaxy cores in the observed scales because of quantum mechanics</article-title>. <source>New Astron.</source> <volume>22</volume>, <fpage>39</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.newast.2012.12.003</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B132">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Di</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Can planet 9 be an axion star?</article-title> <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>108</volume>, <fpage>103038</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.108.103038</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B133">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Di</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shao</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kong</surname>
<given-names>S.-B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Novel standard candle: collapsing axion stars</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>110</volume>, <fpage>103031</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.103031</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B134">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Di</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Stimulated decay of collapsing axion stars and fast radio bursts</article-title>. <source>Eur. Phys. J. C</source> <volume>84</volume>, <fpage>283</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjc/s10052-024-12654-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B135">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dirac</surname>
<given-names>P. A. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1931</year>). <article-title>Quantised singularities in the electromagnetic field</article-title>. <source>Proc. R. Soc. Lond. Ser. A</source> <volume>133</volume>, <fpage>60</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.1931.0130</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B136">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Donato</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gentile</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Salucci</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Frigerio Martins</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wilkinson</surname>
<given-names>M. I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gilmore</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>A constant dark matter halo surface density in galaxies</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>397</volume>, <fpage>1169</fpage>&#x2013;<lpage>1176</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2966.2009.15004.x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B137">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leembruggen</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suranyi</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wijewardhana</surname>
<given-names>L. C. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Collapse of axion stars</article-title>. <source>J. High Energy Phys.</source> <volume>2016</volume>, <fpage>66</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/JHEP12(2016)066</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B138">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leembruggen</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leeney</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suranyi</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wijewardhana</surname>
<given-names>L. C. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Collisions of dark matter axion stars with astrophysical sources</article-title>. <source>J. High Energy Phys.</source> <volume>2017</volume>, <fpage>99</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/JHEP04(2017)099</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B139">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leembruggen</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Street</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suranyi</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wijewardhana</surname>
<given-names>L. C. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018a</year>). <article-title>Approximation methods in the study of boson stars</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>98</volume>, <fpage>123013</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.123013</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B140">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leembruggen</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suranyi</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wijewardhana</surname>
<given-names>L. C. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018b</year>). <article-title>Stability of condensed fuzzy dark matter halos</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2018</volume>, <fpage>058</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2018/10/058</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B141">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leembruggen</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Street</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suranyi</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wijewardhana</surname>
<given-names>L. C. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019a</year>). <article-title>Global view of QCD axion stars</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>100</volume>, <fpage>063002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.100.063002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B142">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mukaida</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takimoto</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wijewardhana</surname>
<given-names>L. C. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yamada</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019b</year>). <article-title>Classical nonrelativistic effective field theory and the role of gravitational interactions</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>99</volume>, <fpage>123503</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.123503</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B143">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shirai</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stadnik</surname>
<given-names>Y. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takhistov</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Probing relativistic axions from transient astrophysical sources</article-title>. <source>Phys. Lett. B</source> <volume>825</volume>, <fpage>136858</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physletb.2021.136858</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B144">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eddington</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1931</year>). <article-title>On the value of the cosmical constant</article-title>. <source>Proc. R. Soc. Lond. Ser. A</source> <volume>133</volume>, <fpage>605</fpage>&#x2013;<lpage>615</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.1931.0170</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B145">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eggemeier</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Formation and mass growth of axion stars in axion miniclusters</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>100</volume>, <fpage>063528</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.100.063528</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B146">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eggemeier</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Easther</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Formation of inflaton halos after inflation</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>103</volume>, <fpage>063525</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.103.063525</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B147">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eggemeier</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwabe</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Easther</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Gravitational collapse in the postinflationary Universe</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>105</volume>, <fpage>023516</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.105.023516</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B148">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>El-Zant</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Freundlich</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Combes</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Halle</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>The effect of fluctuating fuzzy axion haloes on stellar dynamics: a stochastic model</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>492</volume>, <fpage>877</fpage>&#x2013;<lpage>894</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stz3478</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B149">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Ultralight repulsive dark matter and BEC</article-title>. <source>Phys. Dark Universe</source> <volume>14</volume>, <fpage>84</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.dark.2016.10.005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B150">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ferreira</surname>
<given-names>E. G. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Ultra-light dark matter</article-title>. <source>Astron. Astrophys. Rev.</source> <volume>29</volume>, <fpage>7</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00159-021-00135-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B151">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feynman</surname>
<given-names>R. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morinigo</surname>
<given-names>F. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wagner</surname>
<given-names>W. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <source>Feynman lectures on gravitation</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B152">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feynman</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1955</year>). <source>Progress in low temperature physics, volume 1</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B153">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feynman</surname>
<given-names>R. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1958</year>). <article-title>Excitations in liquid helium</article-title>. <source>Physica</source> <volume>24</volume>, <fpage>S18</fpage>&#x2013;<lpage>S26</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0031-8914(58)80495-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B154">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Foidl</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeilinger</surname>
<given-names>W. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Halo formation and evolution in scalar field dark matter and cold dark matter: new insights from the fluid approach</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>108</volume>, <fpage>043012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.108.043012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B155">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Friedberg</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>T. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Scalar soliton stars and black holes</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>35</volume>, <fpage>3658</fpage>&#x2013;<lpage>3677</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.35.3658</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">9957626</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B156">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fujikura</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hertzberg</surname>
<given-names>M. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schiappacasse</surname>
<given-names>E. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yamaguchi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Microlensing constraints on axion stars including finite lens and source size effects</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>104</volume>, <fpage>123012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.104.123012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B157">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Galazo Garc&#xed;a</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Solitons and halos for self-interacting scalar dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>109</volume>, <fpage>043516</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.109.043516</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B158">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Galazo-Garc&#xed;a</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brax</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valageas</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Self-similar solutions for fuzzy dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>105</volume>, <fpage>123528</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.105.123528</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B159">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gamba</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ambrosi</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Coniglio</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Candia</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>di Talia</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Giraudo</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Percolation, morphogenesis, and Burgers dynamics in blood vessels formation</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>90</volume>, <fpage>118101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.90.118101</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">12688968</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B160">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gan</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>L.-T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Detecting axion dark matter with black hole polarimetry</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>110</volume>, <fpage>063039</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.063039</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B161">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gillessen</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eisenhauer</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fritz</surname>
<given-names>T. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bartko</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dodds-Eden</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pfuhl</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>The orbit of the star S2 around SGR A&#x2a; from very large telescope and Keck data</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>707</volume>, <fpage>L114</fpage>&#x2013;<lpage>L117</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/707/2/L114</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B162">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Glennon</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prescod-Weinstein</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Modifying PyUltraLight to model scalar dark matter with self-interactions</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>104</volume>, <fpage>083532</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.104.083532</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B163">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Glennon</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Musoke</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nadler</surname>
<given-names>E. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prescod-Weinstein</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wechsler</surname>
<given-names>R. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Dynamical friction in self-interacting ultralight dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>109</volume>, <fpage>063501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.109.063501</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B164">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Goodman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Repulsive dark matter</article-title>. <source>New Astron.</source> <volume>5</volume>, <fpage>103</fpage>&#x2013;<lpage>107</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S1384-1076(00)00015-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B165">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guerra</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Macedo</surname>
<given-names>C. F. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pani</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Axion boson stars</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2019</volume>, <fpage>061</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2019/09/061</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B166">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guth</surname>
<given-names>A. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hertzberg</surname>
<given-names>M. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prescod-Weinstein</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Do dark matter axions form a condensate with long-range correlation?</article-title> <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>92</volume>, <fpage>103513</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.92.103513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B167">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guzm&#xe1;n</surname>
<given-names>F. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Letter to the editor: scalar fields as dark matter in spiral galaxies</article-title>. <source>Class. Quantum Gravity</source> <volume>17</volume>, <fpage>L9</fpage>&#x2013;<lpage>L16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0264-9381/17/1/102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B168">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guzm&#xe1;n</surname>
<given-names>F. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ure&#xf1;a-L&#xf3;pez</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Evolution of the Schr&#xf6;dinger-Newton system for a self-gravitating scalar field</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>69</volume>, <fpage>124033</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.69.124033</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B169">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guzm&#xe1;n</surname>
<given-names>F. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ure&#xf1;a-L&#xf3;pez</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Gravitational cooling of self-gravitating Bose condensates</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>645</volume>, <fpage>814</fpage>&#x2013;<lpage>819</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/504508</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B170">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Haghani</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harko</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Compact stars in the Einstein dark energy model</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>105</volume>, <fpage>064059</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.105.064059</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B171">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Harko</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Jeans instability and turbulent gravitational collapse of Bose&#x2013;Einstein condensate dark matter halos</article-title>. <source>Eur. Phys. J. C</source> <volume>79</volume>, <fpage>787</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjc/s10052-019-7285-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B172">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Harrison</surname>
<given-names>B. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thorne</surname>
<given-names>K. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wakano</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wheeler</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1965</year>). <source>Gravitation theory and gravitational collapse</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B173">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Helfer</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marsh</surname>
<given-names>D. J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Clough</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fairbairn</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lim</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Becerril</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Black hole formation from axion stars</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2017</volume>, <fpage>055</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2017/03/055</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B174">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Henon</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1959</year>). <article-title>L&#x2019; amas isochrone: I</article-title>. <source>Ann. d&#x2019;Astrophys.</source> <volume>22</volume>, <fpage>126</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B175">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hertzberg</surname>
<given-names>M. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schiappacasse</surname>
<given-names>E. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Merger of dark matter axion clumps and resonant photon emission</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2020</volume>, <fpage>067</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2020/07/067</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B176">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hinshaw</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weiland</surname>
<given-names>J. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hill</surname>
<given-names>R. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Odegard</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Larson</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bennett</surname>
<given-names>C. L.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Five-year Wilkinson microwave anisotropy probe observations: data processing, sky maps, and basic results</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>180</volume>, <fpage>225</fpage>&#x2013;<lpage>245</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0067-0049/180/2/225</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B177">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barkana</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gruzinov</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Fuzzy cold dark matter: the wave properties of ultralight particles</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>85</volume>, <fpage>1158</fpage>&#x2013;<lpage>1161</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.85.1158</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10991501</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B178">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hui</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ostriker</surname>
<given-names>J. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tremaine</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Witten</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Ultralight scalars as cosmological dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>95</volume>, <fpage>043541</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.95.043541</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B179">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hui</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Wave dark matter</article-title>. <source>Annu. Rev.</source> <volume>59</volume>, <fpage>247</fpage>&#x2013;<lpage>289</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-astro-120920-010024</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B180">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hwang</surname>
<given-names>J.-c.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Noh</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Axion as a fuzzy dark matter candidate: proofs in different gauges</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2022</volume>, <fpage>001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2022/03/001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B181">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Indjin</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>I. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Proukakis</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rigopoulos</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Virialized profiles and oscillations of self-interacting fuzzy dark matter solitons</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>109</volume>, <fpage>103518</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.109.103518</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B182">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jeans</surname>
<given-names>J. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1902</year>). <article-title>The stability of a spherical nebula</article-title>. <source>Philosophical Trans. R. Soc. Lond. Ser. A</source> <volume>199</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>53</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsta.1902.0012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B183">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jetzer</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1992</year>). <article-title>Boson stars</article-title>. <source>Phys. Rep.</source> <volume>220</volume>, <fpage>163</fpage>&#x2013;<lpage>227</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(92)90123-H</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B184">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ji</surname>
<given-names>S. U.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sin</surname>
<given-names>S. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Late-time phase transition and the galactic halo as a Bose liquid. II. The effect of visible matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>50</volume>, <fpage>3655</fpage>&#x2013;<lpage>3659</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.50.3655</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10018008</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B185">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jiao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hammer</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Amram</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chemin</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Detection of the Keplerian decline in the Milky Way rotation curve</article-title>. <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>678</volume>, <fpage>A208</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/0004-6361/202347513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B186">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kamionkowski</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liddle</surname>
<given-names>A. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>The dearth of halo dwarf galaxies: is there power on short scales?</article-title> <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>84</volume>, <fpage>4525</fpage>&#x2013;<lpage>4528</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.84.4525</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10990731</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B187">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Katz</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Thermodynamics of self-gravitating systems</article-title>. <source>Found. Phys.</source> <volume>33</volume>, <fpage>223</fpage>&#x2013;<lpage>269</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1023/A:1023776921610</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B188">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kauffmann</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>White</surname>
<given-names>S. D. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guiderdoni</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>The formation and evolution of galaxies within merging dark matter haloes</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>264</volume>, <fpage>201</fpage>&#x2013;<lpage>218</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/264.1.201</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B189">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kaup</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1968</year>). <article-title>Klein-Gordon geon</article-title>. <source>Phys. Rev.</source> <volume>172</volume>, <fpage>1331</fpage>&#x2013;<lpage>1342</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRev.172.1331</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B190">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Khlopov</surname>
<given-names>M. I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Malomed</surname>
<given-names>B. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeldovich</surname>
<given-names>I. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Gravitational instability of scalar fields and formation of primordial black holes</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>215</volume>, <fpage>575</fpage>&#x2013;<lpage>589</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/215.4.575</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B191">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Khoury</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Dark matter superfluidity</article-title>. <source>SciPost Phys. Lect. Notes</source> <volume>42</volume>, <fpage>42</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.21468/SciPostPhysLectNotes.42</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B192">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>King</surname>
<given-names>I. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1965</year>). <article-title>The structure of star clusters. II. Steady-state velocity distributions</article-title>. <source>Astron. J.</source> <volume>70</volume>, <fpage>376</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/109750</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B193">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kirkpatrick</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mirasola</surname>
<given-names>A. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prescod-Weinstein</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Analysis of Bose-Einstein condensation times for self-interacting scalar dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>106</volume>, <fpage>043512</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.043512</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B194">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Klypin</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kravtsov</surname>
<given-names>A. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Valenzuela</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prada</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Where are the missing galactic satellites?</article-title> <source>Astrophys. J.</source> <volume>522</volume>, <fpage>82</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/307643</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B195">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kormendy</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Freeman</surname>
<given-names>K. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). &#x201c;<article-title>Scaling laws for dark matter halos in late-type and dwarf spheroidal galaxies</article-title>,&#x201d; in <source>Dark matter in galaxies</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Ryder</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pisano</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walker</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Freeman</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.astro-ph/0407321</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B196">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korshynska</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bidasyuk</surname>
<given-names>Y. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gorbar</surname>
<given-names>E. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jia</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yakimenko</surname>
<given-names>A. I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Dynamical galactic effects induced by solitonic vortex structure in bosonic dark matter</article-title>. <source>Eur. Phys. J. C</source> <volume>83</volume>, <fpage>451</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjc/s10052-023-11548-1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B197">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Krut</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arg&#xfc;elles</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2025</year>). <source>Thermodynamics of self-gravitating fermions as a robust theory for dark matter halos: stability analysis applied to the Milky Way</source>. <comment>arXiv:2503.10870</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B198">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lancaster</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Giovanetti</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kahn</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lisanti</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spergel</surname>
<given-names>D. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Dynamical friction in a fuzzy dark matter universe</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2020</volume>, <fpage>001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2020/01/001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B199">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lattimer</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Prakash</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <source>From nuclei to stars</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B200">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>J.-W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koh</surname>
<given-names>I.-G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Galactic halos as boson stars</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>53</volume>, <fpage>2236</fpage>&#x2013;<lpage>2239</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.53.2236</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10020213</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B201">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>T. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Fermion soliton stars and black holes</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>35</volume>, <fpage>3678</fpage>&#x2013;<lpage>3694</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.35.3678</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">9957627</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B202">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>B. K. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chu</surname>
<given-names>M.-C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>L.-M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Could the GW190814 secondary component be a bosonic dark matter admixed compact star?</article-title> <source>Astrophys. J.</source> <volume>922</volume>, <fpage>242</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3847/1538-4357/ac2735</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B203">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>T. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1987a</year>). <article-title>Soliton stars and black holes</article-title>. <source>Phys. Rev.</source> <volume>17</volume>, <fpage>225</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B204">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>T. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1987b</year>). <article-title>Soliton stars and the critical masses of black holes</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>35</volume>, <fpage>3637</fpage>&#x2013;<lpage>3639</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.35.3637</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">9957624</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B205">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>J.-W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Brief history of ultra-light scalar dark matter models</article-title>. <source>Eur. Phys. J. Web Conf.</source> <volume>168</volume>, <fpage>06005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/epjconf/201816806005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B206">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Levkov</surname>
<given-names>D. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panin</surname>
<given-names>A. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tkachev</surname>
<given-names>I. I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Relativistic axions from collapsing Bose stars</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>118</volume>, <fpage>011301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.118.011301</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">28106438</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B207">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Levkov</surname>
<given-names>D. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panin</surname>
<given-names>A. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tkachev</surname>
<given-names>I. I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Gravitational Bose-Einstein condensation in the kinetic regime</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>121</volume>, <fpage>151301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.121.151301</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">30362790</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B208">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>P. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Cosmological constraints on Bose-Einstein-condensed scalar field dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>89</volume>, <fpage>083536</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.89.083536</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B209">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liddle</surname>
<given-names>A. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Madsen</surname>
<given-names>M. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1992</year>). <article-title>The structure and formation of boson stars</article-title>. <source>Int. J. Mod. Phys. D</source> <volume>1</volume>, <fpage>101</fpage>&#x2013;<lpage>143</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218271892000057</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B210">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liebling</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Palenzuela</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Dynamical boson stars</article-title>. <source>Living Rev. Relativ.</source> <volume>20</volume>, <fpage>5</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s41114-017-0007-y</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">29200936</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B211">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>S.-C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schive</surname>
<given-names>H.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wong</surname>
<given-names>S.-K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chiueh</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Self-consistent construction of virialized wave dark matter halos</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>97</volume>, <fpage>103523</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.97.103523</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B212">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>I. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Proukakis</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rigopoulos</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Coherent and incoherent structures in fuzzy dark matter haloes</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>521</volume>, <fpage>3625</fpage>&#x2013;<lpage>3647</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stad591</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B213">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lora</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maga&#xf1;a</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bernal</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>S&#xe1;nchez-Salcedo</surname>
<given-names>F. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grebel</surname>
<given-names>E. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>On the mass of ultra-light bosonic dark matter from galactic dynamics</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2012</volume>, <fpage>011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2012/02/011</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B214">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lynden-Bell</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wood</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1968</year>). <article-title>The gravo-thermal catastrophe in isothermal spheres and the onset of red-giant structure for stellar systems</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>138</volume>, <fpage>495</fpage>&#x2013;<lpage>525</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/138.4.495</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B215">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lynden-Bell</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1967</year>). <article-title>Statistical mechanics of violent relaxation in stellar systems</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>136</volume>, <fpage>101</fpage>&#x2013;<lpage>121</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/136.1.101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B216">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Madelung</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1927</year>). <article-title>Quantentheorie in hydrodynamischer form</article-title>. <source>Z. Fur Phys.</source> <volume>40</volume>, <fpage>322</fpage>&#x2013;<lpage>326</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF01400372</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B217">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marsh</surname>
<given-names>D. J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Strong constraints on fuzzy dark matter from ultrafaint dwarf galaxy Eridanus II</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>123</volume>, <fpage>051103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.123.051103</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">31491323</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B218">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marsh</surname>
<given-names>D. J. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Nonlinear hydrodynamics of axion dark matter: relative velocity effects and quantum forces</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>91</volume>, <fpage>123520</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.91.123520</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B219">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marsh</surname>
<given-names>D. J. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Axion cosmology</article-title>. <source>Phys. Rep.</source> <volume>643</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>79</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physrep.2016.06.005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B220">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Maseizik</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eby</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seong</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sigl</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <source>Detectability of accretion-induced bosenovae in the Milky Way</source>. <comment>arXiv e-prints, arXiv:2410.13082</comment>. <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2410.13082</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B221">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Avilez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bernal</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Energy balance of a Bose gas in a curved space-time</article-title>. <source>General Relativ. Gravit.</source> <volume>51</volume>, <fpage>159</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10714-019-2644-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B222">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ure&#xf1;a-L&#xf3;pez</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>J.-W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Short review of the main achievements of the scalar field, fuzzy, ultralight, wave, BEC dark matter model</article-title>. <source>Front. Astronomy Space Sci.</source> <volume>11</volume>, <fpage>1347518</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fspas.2024.1347518</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B223">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Membrado</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abad</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pacheco</surname>
<given-names>A. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saudo</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1989a</year>). <article-title>Newtonian boson spheres</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>40</volume>, <fpage>2736</fpage>&#x2013;<lpage>2738</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.40.2736</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10012125</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B224">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Membrado</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pacheco</surname>
<given-names>A. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sa&#xf1;udo</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1989b</year>). <article-title>Hartree solutions for the self-Yukawian boson sphere</article-title>. <source>Phys. Rev. A Gen. Phys.</source> <volume>39</volume>, <fpage>4207</fpage>&#x2013;<lpage>4211</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.39.4207</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">9901751</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B225">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Michel</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moss</surname>
<given-names>I. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Relativistic collapse of axion stars</article-title>. <source>Phys. Lett. B</source> <volume>785</volume>, <fpage>9</fpage>&#x2013;<lpage>13</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physletb.2018.07.063</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B226">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vogelsberger</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Robles</surname>
<given-names>V. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zavala</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boylan-Kolchin</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fialkov</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Galaxy formation with BECDM - I. Turbulence and relaxation of idealized haloes</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>471</volume>, <fpage>4559</fpage>&#x2013;<lpage>4570</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stx1887</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">28983129</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B227">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lancaster</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fialkov</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Becerra</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Schr&#xf6;dinger-Poisson&#x2013;Vlasov-Poisson correspondence</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>97</volume>, <fpage>083519</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.97.083519</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B228">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fialkov</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vogelsberger</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Becerra</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Amin</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bose</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>First star-forming structures in fuzzy cosmic filaments</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>123</volume>, <fpage>141301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.123.141301</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">31702225</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B229">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fialkov</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vogelsberger</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Becerra</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Robles</surname>
<given-names>V. H.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Galaxy formation with BECDM - II. Cosmic filaments and first galaxies</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>494</volume>, <fpage>2027</fpage>&#x2013;<lpage>2044</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/staa738</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B230">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fialkov</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vogelsberger</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boylan-Kolchin</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Amin</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Cosmological structure formation and soliton phase transition in fuzzy dark matter with axion self-interactions</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>521</volume>, <fpage>2608</fpage>&#x2013;<lpage>2615</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stad694</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B231">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moore</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Quinn</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Governato</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stadel</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lake</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Cold collapse and the core catastrophe</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>310</volume>, <fpage>1147</fpage>&#x2013;<lpage>1152</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1046/j.1365-8711.1999.03039.x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B232">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Musoke</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hotchkiss</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Easther</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Lighting the dark: evolution of the postinflationary universe</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>124</volume>, <fpage>061301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.124.061301</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">32109108</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B233">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Navarro</surname>
<given-names>J. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Frenk</surname>
<given-names>C. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>White</surname>
<given-names>S. D. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <article-title>The structure of cold dark matter halos</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>462</volume>, <fpage>563</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/177173</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B234">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nelson</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1966</year>). <article-title>Derivation of the Schr&#xf6;dinger equation from Newtonian mechanics</article-title>. <source>Phys. Rev.</source> <volume>150</volume>, <fpage>1079</fpage>&#x2013;<lpage>1085</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRev.150.1079</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B235">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Easther</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Inflaton clusters and inflaton stars</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2020</volume>, <fpage>030</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2020/07/030</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B236">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Small-scale structure of fuzzy and axion-like dark matter</article-title>. <source>Prog. Part. Nucl. Phys.</source> <volume>113</volume>, <fpage>103787</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ppnp.2020.103787</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B237">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nori</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Macci&#xf2;</surname>
<given-names>A. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baldi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Fuzzy aquarius: evolution of a Milky-Way like system in the fuzzy dark matter scenario</article-title>. <source>Mon. Notices R. Astronomical Soc.</source> <volume>522</volume>, <fpage>1451</fpage>&#x2013;<lpage>1463</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stad1081</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B238">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nottale</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <source>Scale relativity and fractal space-time: a new approach to unifying relativity and quantum mechanics</source>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/p752</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B239">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>O&#xf1;orbe</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boylan-Kolchin</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bullock</surname>
<given-names>J. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hopkins</surname>
<given-names>P. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kere&#x161;</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Faucher-Gigu&#xe8;re</surname>
<given-names>C.-A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Forged in FIRE: cusps, cores and baryons in low-mass dwarf galaxies</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>454</volume>, <fpage>2092</fpage>&#x2013;<lpage>2106</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stv2072</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B240">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Onsager</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1949</year>). <article-title>Statistical hydrodynamics</article-title>. <source>Il Nuovo Cimento</source> <volume>6</volume>, <fpage>279</fpage>&#x2013;<lpage>287</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF02780991</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B241">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Oppenheimer</surname>
<given-names>J. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Volkoff</surname>
<given-names>G. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1939</year>). <article-title>On massive neutron cores</article-title>. <source>Phys. Rev.</source> <volume>55</volume>, <fpage>374</fpage>&#x2013;<lpage>381</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRev.55.374</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B242">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ourabah</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Jeans instability in dark matter halos</article-title>. <source>Phys. Scr.</source> <volume>95</volume>, <fpage>055005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1402-4896/ab7650</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B243">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Padilla</surname>
<given-names>L. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>P. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>V&#xe1;zquez</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Core-halo mass relation in scalar field dark matter models and its consequences for the formation of supermassive black holes</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>103</volume>, <fpage>063012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.103.063012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B244">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Padilla</surname>
<given-names>L. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hidalgo</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Malik</surname>
<given-names>K. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>New mechanism for primordial black hole formation during reheating</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>106</volume>, <fpage>023519</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.023519</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B245">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Padilla</surname>
<given-names>L. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hidalgo</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gomez-Aguilar</surname>
<given-names>T. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Malik</surname>
<given-names>K. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>German</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Primordial black hole formation during slow-reheating: a review</article-title>. <source>Front. Astronomy Space Sci.</source> <volume>11</volume>, <fpage>1361399</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fspas.2024.1361399</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B246">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Padmanabhan</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Statistical mechanics of gravitating systems</article-title>. <source>Phys. Rep.</source> <volume>188</volume>, <fpage>285</fpage>&#x2013;<lpage>362</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(90)90051-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B247">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Painter</surname>
<given-names>C. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boylan-Kolchin</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mocz</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vogelsberger</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>An attractive model: simulating fuzzy dark matter with attractive self-interactions</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>533</volume>, <fpage>2454</fpage>&#x2013;<lpage>2472</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stae1912</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B248">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Patk&#xf3;s</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Electromagnetic energy loss of axion stars</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>107</volume>, <fpage>055017</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.107.055017</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B249">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peebles</surname>
<given-names>P. J. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1980</year>). <source>The large-scale structure of the universe</source>.</citation>
</ref>
<ref id="B250">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peebles</surname>
<given-names>P. J. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Fluid dark matter</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>534</volume>, <fpage>L127</fpage>&#x2013;<lpage>L129</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/312677</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10813664</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B251">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pils</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Orbits and adiabatic contraction in scalar-field dark matter halos: revisiting the cusp-core problem in dwarf galaxies</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>514</volume>, <fpage>1990</fpage>&#x2013;<lpage>2009</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stac1471</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B252">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Poincar&#xe9;</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1885</year>). <article-title>Sur l&#x27;&#xe9;quilibre d&#x27;une masse fluide anim&#xe9;e d&#x27;un mouvement de rotation</article-title>. <source>Acta Math.</source> <volume>7</volume>, <fpage>259</fpage>&#x2013;<lpage>380</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf02402204</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B253">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pontzen</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Governato</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Cold dark matter heats up</article-title>. <source>Nature</source> <volume>506</volume>, <fpage>171</fpage>&#x2013;<lpage>178</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature12953</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">24522596</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B254">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Proukakis</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rigopoulos</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Soto</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Unified description of corpuscular and fuzzy bosonic dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>108</volume>, <fpage>083513</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.108.083513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B255">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Proukakis</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rigopoulos</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Soto</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Hybrid model of condensate and particle dark matter: linear perturbations in the hydrodynamic limit</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>110</volume>, <fpage>023504</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.023504</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B256">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Raby</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Axion star collisions with neutron stars and fast radio bursts</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>94</volume>, <fpage>103004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.94.103004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B257">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Randall</surname>
<given-names>S. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Markevitch</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Clowe</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gonzalez</surname>
<given-names>A. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brada&#x10d;</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Constraints on the self-interaction cross section of dark matter from numerical simulations of the merging galaxy cluster 1E 0657-56</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>679</volume>, <fpage>1173</fpage>&#x2013;<lpage>1180</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/587859</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B258">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>P. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Angular momentum and vortex formation in Bose-Einstein-condensed cold dark matter haloes</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>422</volume>, <fpage>135</fpage>&#x2013;<lpage>161</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2966.2012.20588.x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B259">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>P. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). &#x201c;<article-title>Finding new signature effects on galactic dynamics to constrain Bose-Einstein-condensed cold dark matter</article-title>,&#x201d; in <source>Accelerated cosmic expansion</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Moreno Gonzalez</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Madriz Aguilar</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reyes Barrera</surname>
<given-names>L. M.</given-names>
</name>
</person-group>, <volume>163</volume>, <fpage>163</fpage>&#x2013;<lpage>182</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-319-02063-1_12</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B260">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Robles</surname>
<given-names>V. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Exact solution to finite temperature SFDM: natural cores without feedback</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>763</volume>, <fpage>19</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0004-637X/763/1/19</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B261">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Romano-D&#xed;az</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shlosman</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hoffman</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heller</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Erasing dark matter cusps in cosmological galactic halos with baryons</article-title>. <source>Astrophys. J.</source> <volume>685</volume>, <fpage>L105</fpage>&#x2013;<lpage>L108</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/592687</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B262">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ruffini</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bonazzola</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1969</year>). <article-title>Systems of self-gravitating particles in general relativity and the concept of an equation of state</article-title>. <source>Phys. Rev.</source> <volume>187</volume>, <fpage>1767</fpage>&#x2013;<lpage>1783</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRev.187.1767</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B263">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ruffini</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arg&#xfc;elles</surname>
<given-names>C. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rueda</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>On the core-halo distribution of dark matter in galaxies</article-title>. <source>Mon. Notices R. Astronomical Soc.</source> <volume>451</volume>, <fpage>622</fpage>&#x2013;<lpage>628</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stv1016</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B264">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schive</surname>
<given-names>H.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chiueh</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Broadhurst</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014a</year>). <article-title>Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave</article-title>. <source>Nat. Phys.</source> <volume>10</volume>, <fpage>496</fpage>&#x2013;<lpage>499</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys2996</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B265">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schive</surname>
<given-names>H.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liao</surname>
<given-names>M.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woo</surname>
<given-names>T.-P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wong</surname>
<given-names>S.-K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chiueh</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Broadhurst</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2014b</year>). <article-title>Understanding the core-halo relation of quantum wave dark matter from 3D simulations</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>113</volume>, <fpage>261302</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.113.261302</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">25615301</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B266">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schobesberger</surname>
<given-names>S. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>P. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Angular momentum and the absence of vortices in the cores of fuzzy dark matter haloes</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>505</volume>, <fpage>802</fpage>&#x2013;<lpage>829</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stab1153</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B267">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schunck</surname>
<given-names>F. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mielke</surname>
<given-names>E. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>General relativistic boson stars</article-title>. <source>Cl. Quantum Grav.</source> <volume>20</volume>, <fpage>R301</fpage>&#x2013;<lpage>R356</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0264-9381/20/20/201</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B268">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schwabe</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Engels</surname>
<given-names>J. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Simulations of solitonic core mergers in ultralight axion dark matter cosmologies</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>94</volume>, <fpage>043513</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.94.043513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B269">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Seidel</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suen</surname>
<given-names>W.-M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1991</year>). <article-title>Oscillating soliton stars</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>66</volume>, <fpage>1659</fpage>&#x2013;<lpage>1662</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.66.1659</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10043274</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B270">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Seidel</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suen</surname>
<given-names>W.-M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Formation of solitonic stars through gravitational cooling</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>72</volume>, <fpage>2516</fpage>&#x2013;<lpage>2519</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.72.2516</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10055903</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B271">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>P. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dawoodbhoy</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rindler-Daller</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Cosmological structure formation in scalar field dark matter with repulsive self-interaction: the incredible shrinking Jeans mass</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>509</volume>, <fpage>145</fpage>&#x2013;<lpage>173</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stab2884</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B272">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sharma</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kartvelishvili</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khoury</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Finite temperature description of an interacting Bose gas</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>106</volume>, <fpage>045025</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.045025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B273">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shukla</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brachet</surname>
<given-names>M. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pandit</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024a</year>). <article-title>Neutron-superfluid vortices and proton-superconductor flux tubes: development of a minimal model for pulsar glitches</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>110</volume>, <fpage>083002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.110.083002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B274">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shukla</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Verma</surname>
<given-names>A. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brachet</surname>
<given-names>M. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pandit</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024b</year>). <article-title>Gravity- and temperature-driven phase transitions in a model for collapsed axionic condensates</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>109</volume>, <fpage>063009</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.109.063009</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B275">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sikivie</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Bose-Einstein condensation of dark matter axions</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>103</volume>, <fpage>111301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.103.111301</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">19792362</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B276">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Simon-Petit</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Perez</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Plum</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>The status of isochrony in the formation and evolution of self-gravitating systems</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>484</volume>, <fpage>4963</fpage>&#x2013;<lpage>4971</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/mnras/stz351</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B277">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sin</surname>
<given-names>S.-J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Late-time phase transition and the galactic halo as a Bose liquid</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>50</volume>, <fpage>3650</fpage>&#x2013;<lpage>3654</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.50.3650</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">10018007</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B278">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Slepian</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Goodman</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Ruling out bosonic repulsive dark matter in thermal equilibrium</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>427</volume>, <fpage>839</fpage>&#x2013;<lpage>849</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2966.2012.21901.x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B279">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Spano</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marcelin</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Amram</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carignan</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Epinat</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hernandez</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>GHASP: an H&#x3b1; kinematic survey of spiral and irregular galaxies - V. Dark matter distribution in 36 nearby spiral galaxies</article-title>. <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>383</volume>, <fpage>297</fpage>&#x2013;<lpage>316</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2966.2007.12545.x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B280">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Spergel</surname>
<given-names>D. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Steinhardt</surname>
<given-names>P. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Observational evidence for self-interacting cold dark matter</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>84</volume>, <fpage>3760</fpage>&#x2013;<lpage>3763</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.84.3760</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">11019199</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B281">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su&#xe1;rez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015a</year>). <article-title>Hydrodynamic representation of the Klein-Gordon-Einstein equations in the weak field limit: general formalism and perturbations analysis</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>92</volume>, <fpage>023510</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.92.023510</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B282">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su&#xe1;rez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015b</year>). <article-title>Hydrodynamic representation of the Klein-Gordon-Einstein equations in the weak field limit</article-title>. <source>J. Phys. Conf. Ser. (IOP)</source> <volume>654</volume>, <fpage>012008</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-6596/654/1/012008</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B283">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su&#xe1;rez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Cosmological evolution of a complex scalar field with repulsive or attractive self-interaction</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>95</volume>, <fpage>063515</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.95.063515</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B284">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su&#xe1;rez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chavanis</surname>
<given-names>P.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Jeans-type instability of a complex self-interacting scalar field in general relativity</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>98</volume>, <fpage>083529</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.083529</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B285">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su&#xe1;rez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Structure formation with scalar-field dark matter: the fluid approach</article-title>. <source>Mon. Notices R. Astronomical Soc.</source> <volume>416</volume>, <fpage>87</fpage>&#x2013;<lpage>93</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2966.2011.19012.x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B286">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su&#xe1;rez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Bose-Einstein condensate dark matter phase transition from finite temperature symmetry breaking of Klein-Gordon fields</article-title>. <source>Class. Quantum Gravity</source> <volume>31</volume>, <fpage>045015</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0264-9381/31/4/045015</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B287">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su&#xe1;rez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Robles</surname>
<given-names>V. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matos</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). &#x201c;<article-title>A review on the scalar field/Bose-Einstein condensate dark matter model</article-title>,&#x201d; in <source>Accelerated cosmic expansion</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Moreno Gonzalez</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Madriz Aguilar</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reyes Barrera</surname>
<given-names>L. M.</given-names>
</name>
</person-group>, <volume>107</volume>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-319-02063-1_9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B288">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Takabayasi</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1952</year>). <article-title>On the formulation of quantum mechanics associated with classical pictures</article-title>. <source>Prog. Theor. Phys.</source> <volume>8</volume>, <fpage>143</fpage>&#x2013;<lpage>182</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1143/ptp/8.2.143</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B289">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tangphati</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sakall&#x131;</surname>
<given-names>&#x130;.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Banerjee</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pradhan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Behaviors of quark stars in the Rainbow Gravity framework</article-title>. <source>Phys. Dark Universe</source> <volume>46</volume>, <fpage>101610</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.dark.2024.101610</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B290">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tkachev</surname>
<given-names>I. I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1986</year>). <article-title>Coherent scalar-field oscillations forming compact astrophysical object</article-title>. <source>Sov. Astron. Lett.</source> <volume>12</volume>, <fpage>305</fpage>&#x2013;<lpage>308</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B291">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Uhlemann</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kopp</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haugg</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Schr&#xf6;dinger method as N-body double and UV completion of dust</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>90</volume>, <fpage>023517</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.90.023517</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B292">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Veltmaat</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwabe</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Formation and structure of ultralight bosonic dark matter halos</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>98</volume>, <fpage>043509</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.043509</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B293">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Veltmaat</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwabe</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niemeyer</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Baryon-driven growth of solitonic cores in fuzzy dark matter halos</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>101</volume>, <fpage>083518</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.101.083518</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B294">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Verma</surname>
<given-names>A. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pandit</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brachet</surname>
<given-names>M. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Formation of compact objects at finite temperatures in a dark-matter-candidate self-gravitating bosonic system</article-title>. <source>Phys. Rev. Res.</source> <volume>3</volume>, <fpage>L022016</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevResearch.3.L022016</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B295">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Verma</surname>
<given-names>A. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pandit</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brachet</surname>
<given-names>M. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Rotating self-gravitating Bose-Einstein condensates with a crust: a model for pulsar glitches</article-title>. <source>Phys. Rev. Res.</source> <volume>4</volume>, <fpage>013026</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevResearch.4.013026</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B296">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Visinelli</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baum</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Redondo</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Freese</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wilczek</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Dilute and dense axion stars</article-title>. <source>Phys. Lett. B</source> <volume>777</volume>, <fpage>64</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physletb.2017.12.010</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B297">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Visinelli</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Boson stars and oscillatons: a review</article-title>. <source>Int. J. Mod. Phys. D</source> <volume>30</volume>, <fpage>2130006</fpage>&#x2013;<lpage>2130293</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218271821300068</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B298">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wallstrom</surname>
<given-names>T. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Inequivalence between the Schr&#xf6;dinger equation and the Madelung hydrodynamic equations</article-title>. <source>Phys. Rev. A.</source> <volume>49</volume>, <fpage>1613</fpage>&#x2013;<lpage>1617</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.49.1613</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">9910408</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B299">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Whitney</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1955</year>). <article-title>On singularities of mappings of Euclidean spaces. I. Mappings of the plane into the plane</article-title>. <source>Ann. Math.</source> <volume>62</volume>, <fpage>374</fpage>&#x2013;<lpage>410</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2307/1970070</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B300">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Widrow</surname>
<given-names>L. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kaiser</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>Using the Schroedinger equation to simulate collisionless matter</article-title>. <source>Astrophys. J. Lett.</source> <volume>416</volume>, <fpage>L71</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/187073</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B301">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yavetz</surname>
<given-names>T. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hui</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Construction of wave dark matter halos: numerical algorithm and analytical constraints</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>105</volume>, <fpage>023512</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.105.023512</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B302">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yin</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Visinelli</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Axion star condensation around primordial black holes and microlensing limits</article-title>. <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <volume>2024</volume>, <fpage>013</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1475-7516/2024/10/013</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B303">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zagorac</surname>
<given-names>J. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kendall</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Padmanabhan</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Easther</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Soliton formation and the core-halo mass relation: an eigenstate perspective</article-title>. <source>Phys. Rev. D.</source> <volume>107</volume>, <fpage>083513</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.107.083513</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="app1">
<title>Appendix 1: Energy functional</title>
<p>The GPP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> conserve the total mass<disp-formula id="eA1">
<mml:math id="m1013">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A1)</label>
</disp-formula>and the total energy<disp-formula id="eA2">
<mml:math id="m1014">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A2)</label>
</disp-formula>which is the sum of the kinetic energy <inline-formula id="inf896">
<mml:math id="m1015">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the internal energy <inline-formula id="inf897">
<mml:math id="m1016">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the gravitational energy <inline-formula id="inf898">
<mml:math id="m1017">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>).</p>
<p>Using the Madelung transformation, these functionals can be written in terms of hydrodynamic variables as<disp-formula id="eA3">
<mml:math id="m1018">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA4">
<mml:math id="m1019">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A4)</label>
</disp-formula>where the first two terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="eA4">Equation A4</xref> are the classical kinetic energy <inline-formula id="inf899">
<mml:math id="m1020">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the quantum kinetic energy <inline-formula id="inf900">
<mml:math id="m1021">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (we have <inline-formula id="inf901">
<mml:math id="m1022">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the third term is the internal energy <inline-formula id="inf902">
<mml:math id="m1023">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the fourth term is the gravitational energy <inline-formula id="inf903">
<mml:math id="m1024">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>).</p>
<p>An extremum of energy at fixed mass determines a stationary solution of the GPP equations. However, only minima of energy at fixed mass are dynamically stable (maxima or saddle points of energy at fixed mass are linearly unstable). A more detailed discussion of these results is given in Section 3.3 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> and in Appendix B of <xref ref-type="bibr" rid="B99">Chavanis (2021a)</xref>.</p>
</app>
<app id="app2">
<title>Appendix 2: Gaussian ansatz</title>
<p>We can obtain an approximate analytical solution of the GPP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> by using a Gaussian ansatz for the wavefunction and by developing a mechanical analogy (see <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> and Section 8 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> for details). We write the wavefunction as<disp-formula id="eA5">
<mml:math id="m1025">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf904">
<mml:math id="m1026">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the typical radius<xref ref-type="fn" rid="fn51">
<sup>51</sup>
</xref> of the BEC and <inline-formula id="inf1905">
<mml:math id="m1027">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The density <inline-formula id="inf906">
<mml:math id="m1028">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the velocity field <inline-formula id="inf907">
<mml:math id="m1029">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are given by<disp-formula id="eA6">
<mml:math id="m1030">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A6)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA7">
<mml:math id="m1031">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We note that <inline-formula id="inf908">
<mml:math id="m1033">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is similar to the Hubble parameter in cosmology [see Section 8.8 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> for details]. We also note that the rotation curve <inline-formula id="inf909">
<mml:math id="m1034">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (where <inline-formula id="inf910">
<mml:math id="m1035">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mass contained within the sphere of radius <inline-formula id="inf911">
<mml:math id="m1036">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) associated with the Gaussian density profile <xref ref-type="disp-formula" rid="eA6">Equation A6</xref> reads (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>)<disp-formula id="eA8">
<mml:math id="m1032">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>With the Gaussian ansatz, we find that the energy functional (<xref ref-type="disp-formula" rid="eA4">Equation A4</xref>) can be written as a function of <inline-formula id="inf912">
<mml:math id="m1037">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf913">
<mml:math id="m1038">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (for a fixed mass <inline-formula id="inf914">
<mml:math id="m1039">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) as<disp-formula id="eA9">
<mml:math id="m1040">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A9)</label>
</disp-formula>The first term in <xref ref-type="disp-formula" rid="eA9">Equation A9</xref> is the classical kinetic energy <inline-formula id="inf915">
<mml:math id="m1041">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> while the effective potential <inline-formula id="inf916">
<mml:math id="m1042">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> comprises the quantum kinetic energy <inline-formula id="inf917">
<mml:math id="m1043">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the internal energy <inline-formula id="inf918">
<mml:math id="m1044">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the gravitational energy <inline-formula id="inf919">
<mml:math id="m1045">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (see below). Therefore, <inline-formula id="inf920">
<mml:math id="m1046">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using <xref ref-type="disp-formula" rid="eA9">Equation A9</xref> and the conservation of energy (see <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix 1</xref>) we find that the evolution of the radius <inline-formula id="inf921">
<mml:math id="m1047">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the BEC is determined by the differential equation<disp-formula id="eA10">
<mml:math id="m1048">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A10)</label>
</disp-formula>This equation is similar to the equation of motion of a particle of mass <inline-formula id="inf922">
<mml:math id="m1049">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and position <inline-formula id="inf923">
<mml:math id="m1050">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> moving in a one-dimensional potential <inline-formula id="inf924">
<mml:math id="m1051">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This equation can also be obtained from the time-dependent quantum virial theorem [see Section 8.4 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> for details]<disp-formula id="eA11">
<mml:math id="m1052">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A11)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf925">
<mml:math id="m1053">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the moment of inertia, or from the least action principle in a Lagrangian approach [see Appendix B of <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis (2016a)</xref>].</p>
<p>In the following, we shall specifically consider a standard BEC with the self-interaction potential from <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref> or with the equation of state from <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>. In that case, <inline-formula id="inf926">
<mml:math id="m1054">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the effective potential <inline-formula id="inf927">
<mml:math id="m1055">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reads [see Section 8.2 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> for details]<disp-formula id="eA12">
<mml:math id="m1056">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A12)</label>
</disp-formula>with the coefficients<disp-formula id="eA13">
<mml:math id="m1057">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The equilibrium states are determined by the condition <inline-formula id="inf928">
<mml:math id="m1058">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This condition yields the mass-radius relation (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>)<disp-formula id="eA14">
<mml:math id="m1059">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A14)</label>
</disp-formula>This relation can also be obtained from the static quantum virial theorem (see Section 8.3 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref> for details)<disp-formula id="eA15">
<mml:math id="m1060">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A15)</label>
</disp-formula>The mass-radius relation in the noninteracting limit, the radius in the TF limit (in the repulsive case), and the maximum mass <inline-formula id="inf929">
<mml:math id="m1061">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and minimum radius <inline-formula id="inf930">
<mml:math id="m1062">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (in the attractive case) are given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Equations 34</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref> with the coefficients <inline-formula id="inf931">
<mml:math id="m1063">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8.95</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf932">
<mml:math id="m1064">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.125</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf933">
<mml:math id="m1065">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.085</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf934">
<mml:math id="m1066">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> instead of the exact values 9.95, <inline-formula id="inf935">
<mml:math id="m1067">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, 1.012 and 5.5. We see that the prediction of the maximum mass from the Gaussian ansatz is relatively accurate (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>).</p>
<p>Only minima of <inline-formula id="inf936">
<mml:math id="m1068">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are dynamically stable. Therefore, the condition of stability is <inline-formula id="inf937">
<mml:math id="m1069">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. With the Gaussian ansatz, the squared pulsation of the BEC is <inline-formula id="inf938">
<mml:math id="m1070">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We then find that [see Section 8.6 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> for details]<disp-formula id="eA16">
<mml:math id="m1071">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A16)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf939">
<mml:math id="m1072">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In addition, for the standard BEC <inline-formula id="inf940">
<mml:math id="m1073">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, one can obtain the relation [see <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis (2016a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis (2020c)</xref> and Sections. 8.6 and 8.7 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> for details and generalizations]<disp-formula id="eA17">
<mml:math id="m1074">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A17)</label>
</disp-formula>This relation directly connects the stability of the self-gravitating BEC to the slope of the mass-radius relation. The equilibrium state is stable when <inline-formula id="inf941">
<mml:math id="m1075">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (implying <inline-formula id="inf942">
<mml:math id="m1076">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and unstable when <inline-formula id="inf943">
<mml:math id="m1077">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (implying <inline-formula id="inf944">
<mml:math id="m1078">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The change of stability occurs at the maximum mass <inline-formula id="inf945">
<mml:math id="m1079">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf946">
<mml:math id="m1080">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in agreement with the Poincar&#xe9; turning point criterion (<xref ref-type="bibr" rid="B252">Poincar&#xe9;, 1885</xref>). By studying the sign of the second derivatives of <inline-formula id="inf947">
<mml:math id="m1081">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or by using the identity from <xref ref-type="disp-formula" rid="eA17">Equation A17</xref> one can analytically show (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>) that, in the repulsive case <inline-formula id="inf948">
<mml:math id="m1082">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the equilibrium states are always stable (see <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>) and that, in the attractive case <inline-formula id="inf949">
<mml:math id="m1083">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the equilibrium states with <inline-formula id="inf950">
<mml:math id="m1084">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are stable while the equilibrium states with <inline-formula id="inf951">
<mml:math id="m1085">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are unstable (see <xref ref-type="sec" rid="s4-3">Section 4.3</xref>). Therefore, <inline-formula id="inf952">
<mml:math id="m1086">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the minimum radius of stable equilibrium states.</p>
<p>In the noninteracting case <inline-formula id="inf953">
<mml:math id="m1087">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, using <xref ref-type="disp-formula" rid="eA16">Equation A16</xref> and the virial theorem <inline-formula id="inf954">
<mml:math id="m1088">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x398;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we find that<disp-formula id="eA18">
<mml:math id="m1089">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A18)</label>
</disp-formula>Recalling that <inline-formula id="inf955">
<mml:math id="m1090">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>99</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf956">
<mml:math id="m1091">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> we obtain <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Equation (36)</xref>. In the TF limit <inline-formula id="inf957">
<mml:math id="m1092">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, using <xref ref-type="disp-formula" rid="eA16">Equation A16</xref> and the virial theorem <inline-formula id="inf958">
<mml:math id="m1093">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we find that <inline-formula id="inf959">
<mml:math id="m1094">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which coincides with the Ledoux formula for a polytrope of index <inline-formula id="inf960">
<mml:math id="m1095">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. With the exact values of <inline-formula id="inf961">
<mml:math id="m1096">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf962">
<mml:math id="m1097">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that can be obtained analytically, we get <inline-formula id="inf963">
<mml:math id="m2098">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Ledoux</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.96</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.21</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis, 2011c</xref>). The squared pulsation is studied as a function of the radius of the BEC in <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref> for an attractive or a repulsive self-interaction.</p>
<p>In the case of an attractive self-interaction, expanding the effective potential from <xref ref-type="disp-formula" rid="eA12">Equation A12</xref> to third order close to the maximum mass <inline-formula id="inf964">
<mml:math id="m1099">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we obtain (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>)<disp-formula id="eA19">
<mml:math id="m1100">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A19)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf965">
<mml:math id="m1101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or, more explicitly, <inline-formula id="inf966">
<mml:math id="m1102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula id="inf1966">
<mml:math id="m2102">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="eA19">Equation A19</xref> is the normal form of a potential <inline-formula id="inf967">
<mml:math id="m1103">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> close to a saddle-center bifurcation [see Figure 20 in <xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis (2016a)</xref>]. With this approximation, the equation of motion <xref ref-type="disp-formula" rid="eA10">Equation A10</xref> of the fictive particle becomes<disp-formula id="eA20">
<mml:math id="m1104">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A20)</label>
</disp-formula>This equation has been studied in (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>), leading to the results reported in <xref ref-type="sec" rid="s4-3">Section 4.3</xref>. The mass-radius relation close to <inline-formula id="inf968">
<mml:math id="m1105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, corresponding to <inline-formula id="inf969">
<mml:math id="m1106">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is given by<disp-formula id="eA21">
<mml:math id="m1107">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A21)</label>
</disp-formula>The upper sign corresponds to the stable branch <inline-formula id="inf970">
<mml:math id="m1108">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the lower sign corresponds to the unstable branch <inline-formula id="inf971">
<mml:math id="m1109">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The squared radial pulsation of the BEC is<disp-formula id="eA22">
<mml:math id="m1110">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A22)</label>
</disp-formula>where we have introduced the dynamical time <inline-formula id="inf972">
<mml:math id="m1111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> constructed with the characteristic density <inline-formula id="inf973">
<mml:math id="m1112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B84">Chavanis, 2016a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B96">Chavanis, 2020c</xref>). From these equations, we obtain<disp-formula id="eA23">
<mml:math id="m1113">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A23)</label>
</disp-formula>which is a special case of the general identity from <xref ref-type="disp-formula" rid="eA17">Equation A17</xref> valid close to the critical point where <inline-formula id="inf974">
<mml:math id="m1114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The Gaussian ansatz approach has been generalized in <xref ref-type="bibr" rid="B89">Chavanis (2018b)</xref> to the case of a self-interaction potential comprising an attractive <inline-formula id="inf975">
<mml:math id="m1115">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> term and a repulsive <inline-formula id="inf976">
<mml:math id="m1116">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> term. It has also been generalized in <xref ref-type="bibr" rid="B91">Chavanis (2019b)</xref> in order to take into account the presence of a central black hole creating a potential <inline-formula id="inf977">
<mml:math id="m1117">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>BH</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In particular, we have obtained the general expression of the maximum mass of an axion star with an attractive <inline-formula id="inf978">
<mml:math id="m1118">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction <inline-formula id="inf979">
<mml:math id="m1119">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the presence of a central black hole. In the case where the self-gravity of the axion star can be neglected, this general expression reduces to [see Section 3.7.2 of <xref ref-type="bibr" rid="B91">Chavanis (2019b)</xref>]<disp-formula id="eA24">
<mml:math id="m1120">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>BH</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A24)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf980">
<mml:math id="m1121">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The prefactor is equal to <inline-formula id="inf981">
<mml:math id="m1122">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.416</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. An application of our <xref ref-type="disp-formula" rid="eA24">Equation A24</xref> giving the maximum mass of a dilute axion star in the presence of a central black hole (<xref ref-type="bibr" rid="B91">Chavanis, 2019b</xref>) has been recently developed in <xref ref-type="bibr" rid="B160">Gan et al. (2024)</xref> [see also <xref ref-type="bibr" rid="B121">Davies and Mocz (2020)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B302">Yin and Visinelli (2024)</xref> for related studies].</p>
<p>It is also possible to generalize the theoretical formalism developed in (<xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>) to a multispecies system of self-gravitating BECs described by the coupled GPP equations<disp-formula id="eA25">
<mml:math id="m1123">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A25)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA26">
<mml:math id="m1124">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A26)</label>
</disp-formula>The mass <inline-formula id="inf982">
<mml:math id="m1125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of each species is conserved as well as the total energy<disp-formula id="eA27">
<mml:math id="m1126">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2207;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A27)</label>
</disp-formula>Making a Gaussian ansatz (for each species) and adapting the procedure described in Section 8 of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> to the present situation we readily obtain the energy function<disp-formula id="eA28">
<mml:math id="m1127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tot</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A28)</label>
</disp-formula>with the effective potential<disp-formula id="eA29">
<mml:math id="m1128">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A29)</label>
</disp-formula>This potential displays a wealth of regimes.</p>
</app>
<app id="app3">
<title>Appendix 3: TF approximation</title>
<p>We assume that the bosons have a repulsive self-interaction <inline-formula id="inf983">
<mml:math id="m1129">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the TF approximation, where the quantum potential is neglected, the equilibrium state results from the balance between the gravitational attraction and the repulsion arising from the <inline-formula id="inf984">
<mml:math id="m1130">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> self-interaction of the bosons. The system is equivalent to a polytrope of index <inline-formula id="inf985">
<mml:math id="m1131">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (i.e. <inline-formula id="inf986">
<mml:math id="m1132">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) with an equation of state of the form<disp-formula id="eA30">
<mml:math id="m1133">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A30)</label>
</disp-formula>where the constant <inline-formula id="inf987">
<mml:math id="m1134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> may depend on the dimension of space <inline-formula id="inf988">
<mml:math id="m1135">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (we leave it unspecified for the sake of generality). The condition of hydrostatic equilibrium can be reduced to a (linear) Helmholtz equation of the form<disp-formula id="eA31">
<mml:math id="m1136">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A31)</label>
</disp-formula>which is equivalent to the Lane-Emden equation of index <inline-formula id="inf989">
<mml:math id="m1137">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B59">Chavanis and Sire, 2004</xref>).</p>
<p>In <inline-formula id="inf990">
<mml:math id="m1138">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> dimension, the density profile is given by<disp-formula id="eA32">
<mml:math id="m1139">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A32)</label>
</disp-formula>The density vanishes at<disp-formula id="eA33">
<mml:math id="m1140">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A33)</label>
</disp-formula>The radius is independent of the mass. The central density is related to the mass by <inline-formula id="inf991">
<mml:math id="m1141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In <inline-formula id="inf992">
<mml:math id="m1142">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> dimensions, the density profile is given by<disp-formula id="eA34">
<mml:math id="m1143">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A34)</label>
</disp-formula>The density vanishes at<disp-formula id="eA35">
<mml:math id="m1144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A35)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf993">
<mml:math id="m1145">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.4048</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the first zero of Bessel function <inline-formula id="inf994">
<mml:math id="m1146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The radius is independent of the mass. The central density is related to the mass by <inline-formula id="inf995">
<mml:math id="m1147">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.73725</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In <inline-formula id="inf996">
<mml:math id="m1148">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> dimensions, the density profile is given by<disp-formula id="eA36">
<mml:math id="m1149">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A36)</label>
</disp-formula>The density vanishes at<disp-formula id="eA37">
<mml:math id="m1150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A37)</label>
</disp-formula>The radius is independent of the mass. The central density is related to the mass by <inline-formula id="inf997">
<mml:math id="m1151">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. With <inline-formula id="inf998">
<mml:math id="m1152">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> we recover the results of <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> [see also <xref ref-type="bibr" rid="B75">Chavanis (2011c)</xref>].</p>
<p>
<italic>Remark:</italic> In <inline-formula id="inf999">
<mml:math id="m1153">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> dimensions, it is possible to take into account the effect of a solid rotation <inline-formula id="inf1000">
<mml:math id="m1154">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> while remaining axisymmetric (Chavanis, In preparation). For rotating polytropic cylinders of index <inline-formula id="inf1001">
<mml:math id="m1155">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the differential equation replacing <xref ref-type="disp-formula" rid="eA31">Equation A31</xref> is<disp-formula id="eA38">
<mml:math id="m1156">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A38)</label>
</disp-formula>and its solution is<disp-formula id="eA39">
<mml:math id="m1157">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A39)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1002">
<mml:math id="m1158">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The density profile vanishes at some radius <inline-formula id="inf1003">
<mml:math id="m1159">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> provided that<disp-formula id="eA40">
<mml:math id="m1160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.11</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A40)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1004">
<mml:math id="m1161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3.8317</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to the first minimum of <inline-formula id="inf1005">
<mml:math id="m1162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In that case, the radius <inline-formula id="inf1006">
<mml:math id="m1163">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is related to the central density by<disp-formula id="eA41">
<mml:math id="m1164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A41)</label>
</disp-formula>The radius of the rotating configuration lies in the interval <inline-formula id="inf1007">
<mml:math id="m1165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The density profile can be rewritten as<disp-formula id="eA42">
<mml:math id="m1166">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A42)</label>
</disp-formula>The mass and the moment of inertia are related to the radius and to the angular velocity by<disp-formula id="eA43">
<mml:math id="m1167">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A43)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA44">
<mml:math id="m1168">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A44)</label>
</disp-formula>Using the Gaussian ansatz or the Ledoux formula, the squared pulsation is given by (<xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>)<disp-formula id="eA45">
<mml:math id="m1169">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A45)</label>
</disp-formula>Using <xref ref-type="disp-formula" rid="eA43">Equations A43</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eA45">A45</xref> we can show that <inline-formula id="inf1008">
<mml:math id="m1170">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> implying that the solutions are dynamically stable for any <inline-formula id="inf1009">
<mml:math id="m1171">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (Chavanis, In preparation).</p>
</app>
<app id="app4">
<title>Appendix 4: Mass-radius relation in <inline-formula id="inf1010">
<mml:math id="m1172">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> dimensions</title>
<p>We briefly discuss the mass-radius relation of nonrelativistic self-gravitating BECs in <inline-formula id="inf1011">
<mml:math id="m1173">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> dimensions [see Chavanis, In preparation; <xref ref-type="bibr" rid="B109">Chavanis (2023b)</xref> for details and for the values of <inline-formula id="inf1012">
<mml:math id="m1174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf1013">
<mml:math id="m1175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf1014">
<mml:math id="m1176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1015">
<mml:math id="m1177">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mentioned below].</p>
<sec>
<title>4.1 Repulsive self-interaction</title>
<p>When <inline-formula id="inf1016">
<mml:math id="m1178">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mass-radius relation is monotonic. There is a stable equilibrium state for any mass <inline-formula id="inf1017">
<mml:math id="m1179">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and it has a radius <inline-formula id="inf1018">
<mml:math id="m1180">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The radius decreases from infinity to <inline-formula id="inf1019">
<mml:math id="m1181">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the mass increases. The branch of noninteracting bosons is stable.</p>
<p>When <inline-formula id="inf1020">
<mml:math id="m1182">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mass-radius relation presents a minimum. There is a stable equilibrium state for <inline-formula id="inf1021">
<mml:math id="m1183">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and it has a radius <inline-formula id="inf1022">
<mml:math id="m1184">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The radius decreases from infinity to <inline-formula id="inf1023">
<mml:math id="m1185">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the mass increases from <inline-formula id="inf1024">
<mml:math id="m1186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The branch of noninteracting bosons exists at a unique mass <inline-formula id="inf1025">
<mml:math id="m1187">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and it is marginally stable.</p>
<p>When <inline-formula id="inf1026">
<mml:math id="m1188">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mass-radius relation presents a minimum. There is a stable equilibrium state for <inline-formula id="inf1027">
<mml:math id="m1189">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1028">
<mml:math id="m1190">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the branch <inline-formula id="inf1029">
<mml:math id="m1191">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is unstable). The radius decreases from <inline-formula id="inf1030">
<mml:math id="m1192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf1031">
<mml:math id="m1193">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>TF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the mass increases from <inline-formula id="inf1032">
<mml:math id="m1194">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf1033">
<mml:math id="m1195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <inline-formula id="inf1034">
<mml:math id="m1196">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The branch of noninteracting bosons is unstable.</p>
<p>These results show that the dimension of space <inline-formula id="inf1035">
<mml:math id="m1197">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of our universe is very particular as already found in the case of fermion stars (<xref ref-type="bibr" rid="B71">Chavanis, 2007</xref>). In particular, noninteracting fermion and boson stars are unstable in a universe of dimension <inline-formula id="inf1036">
<mml:math id="m1198">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (they are marginally stable in <inline-formula id="inf1037">
<mml:math id="m1199">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2 Attractive self-interaction</title>
<p>When <inline-formula id="inf1038">
<mml:math id="m1200">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mass-radius relation is monotonic. There is a stable equilibrium state for any mass <inline-formula id="inf1039">
<mml:math id="m1201">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The radius decreases from infinity to 0 as the mass increases.</p>
<p>When <inline-formula id="inf1040">
<mml:math id="m1202">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mass-radius relation presents a maximum. There is a stable equilibrium state for <inline-formula id="inf1041">
<mml:math id="m1203">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The radius decreases from infinity to 0 as the mass increases up to <inline-formula id="inf1042">
<mml:math id="m1204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The maximum mass corresponds to the mass of a nongravitational BEC (Townes soliton). Its exact value is <inline-formula id="inf1043">
<mml:math id="m1205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.465563</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B117">Chiao et al., 1964</xref>; Chavanis, In preparation).</p>
<p>When <inline-formula id="inf1044">
<mml:math id="m1206">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mass-radius relation presents a maximum. There is a stable equilibrium state for <inline-formula id="inf1045">
<mml:math id="m1207">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1046">
<mml:math id="m1208">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the branch <inline-formula id="inf1047">
<mml:math id="m1209">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is unstable). The radius decreases from infinity to <inline-formula id="inf1048">
<mml:math id="m1210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the mass increases up to <inline-formula id="inf1049">
<mml:math id="m1211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf1050">
<mml:math id="m1212">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <inline-formula id="inf1051">
<mml:math id="m1213">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
<p>When <inline-formula id="inf1052">
<mml:math id="m1214">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, there is no stable equilibrium state (when <inline-formula id="inf1053">
<mml:math id="m1215">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the branch of noninteracting bosons exists at a unique mass <inline-formula id="inf1054">
<mml:math id="m1216">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and it is marginally stable).</p>
</sec>
</app>
<app id="app5">
<title>Appendix 5: The gravitational instability of an infinite homogeneous BEC when the Coriolis force is acting and a magnetic field is present</title>
<p>The effect of a uniform rotation and a constant magnetic field on the Jeans instability of an infinite homogeneous self-gravitating system has been studied by Chandrasekhar (<xref ref-type="bibr" rid="B47">Chandrasekhar and Fermi, 1953</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B50">Chandrasekhar, 1954</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B51">Chandrasekhar, 1955</xref>) for a classical fluid. For a quantum fluid, we just have to make the substitution<disp-formula id="eA46">
<mml:math id="m1217">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A46)</label>
</disp-formula>in the linearized hydrodynamic equations (see <xref ref-type="sec" rid="s8-1">Section 8.1</xref>). In this manner, the results of Chandrasekhar (<xref ref-type="bibr" rid="B47">Chandrasekhar and Fermi, 1953</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B50">Chandrasekhar, 1954</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B51">Chandrasekhar, 1955</xref>) can be generalized straightforwardly. The dispersion relation taking into account the Coriolis force, a magnetic field and the quantum potential is given by Equation 7 of <xref ref-type="bibr" rid="B50">Chandrasekhar (1954)</xref> where now<disp-formula id="eA47">
<mml:math id="m1218">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A47)</label>
</disp-formula>As shown by <xref ref-type="bibr" rid="B50">Chandrasekhar (1954)</xref>, the medium is stable if, and only if, <inline-formula id="inf1055">
<mml:math id="m1219">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is precisely the quantum Jeans criterion from <xref ref-type="disp-formula" rid="e99">Equation 99</xref>. Therefore the condition for gravitational instability is unaffected by Corliolis and magnetic forces. There is, however, a particular case. This is when the direction of propagation of the perturbation is both perpendicular to the angular velocity <inline-formula id="inf1056">
<mml:math id="m1220">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the magnetic field <inline-formula id="inf1057">
<mml:math id="m1221">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In that case, the dispersion relation reduces to<disp-formula id="eA48">
<mml:math id="m1222">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A48)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1058">
<mml:math id="m1223">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Alfv&#xe9;n velocity. The squared Jeans wavevector, which is determined by a second degree equation corresponding to <xref ref-type="disp-formula" rid="eA48">Equation A48</xref> with <inline-formula id="inf1059">
<mml:math id="m1224">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given, when it exists and is positive, by<disp-formula id="eA49">
<mml:math id="m1225">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A49)</label>
</disp-formula>Different cases can happen depending on the signs of <inline-formula id="inf1060">
<mml:math id="m1226">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1061">
<mml:math id="m1227">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For example, in the classical case or in the TF regime <inline-formula id="inf1062">
<mml:math id="m1228">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, when <inline-formula id="inf1063">
<mml:math id="m1229">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1064">
<mml:math id="m1230">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> we see that <inline-formula id="inf1065">
<mml:math id="m1231">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> so the medium is stable with respect to this type of perturbations. Otherwise, the Jeans wavenumber below which the medium is unstable is given by<disp-formula id="eA50">
<mml:math id="m1232">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A50)</label>
</disp-formula>which is different from the usual Jeans wavenumber <inline-formula id="inf1066">
<mml:math id="m1233">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, the situation when the direction of propagation of the perturbation is both perpendicular to the angular velocity <inline-formula id="inf1067">
<mml:math id="m1234">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the magnetic field <inline-formula id="inf1068">
<mml:math id="m1235">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is very particular (except in two dimensions) and, if we allow <inline-formula id="inf1069">
<mml:math id="m1236">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to be in any direction, the system suffers the usual (quantum) Jeans instability.</p>
</app>
<app id="app6">
<title>Appendix 6: Theories of modified gravity</title>
<p>There exist several theories of modified gravity. One of them is the so-called Eddington-inspired Born-Infeld (EiBI) theory (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Ba&#xf1;ados and Ferreira, 2010</xref>). In the Newtonian limit, the EiBI theory generates a modified Poisson equation of the form<disp-formula id="eA51">
<mml:math id="m1237">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A51)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1070">
<mml:math id="m1238">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a constant with the dimension of a squared length or the inverse of a cosmological constant <inline-formula id="inf1071">
<mml:math id="m1239">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39b;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. If we introduce the &#x201c;Newtonian&#x201d; potential <inline-formula id="inf1072">
<mml:math id="m1240">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we recover the usual GPP <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> with an additional self-interaction potential <inline-formula id="inf1073">
<mml:math id="m1241">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This is a quartic potential similar to the quartic potential of the standard BEC from <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>. The corresponding equation of state is <inline-formula id="inf1074">
<mml:math id="m1242">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, all the results established for the standard self-gravitating BEC in the Newtonian limit can be straightforwardly applied to the EiBI theory by simply making the substitution<disp-formula id="eA52">
<mml:math id="m1243">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A52)</label>
</disp-formula>The case <inline-formula id="inf1075">
<mml:math id="m1244">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to an effective repulsive self-interaction and the case <inline-formula id="inf1076">
<mml:math id="m1245">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to an effective attractive self-interaction. The modified potential annihilates the physical self-interaction when <inline-formula id="inf1077">
<mml:math id="m1246">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Another theory of modified gravity consists in replacing the Poisson equation by the screened Poisson (or Yukawa) equation. This type of equations can also describe interactions different from the gravitational one. Therefore, we write it under the generic form<disp-formula id="eA53">
<mml:math id="m1247">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A53)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1078">
<mml:math id="m1248">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a constant with the dimension of a length and <inline-formula id="inf1079">
<mml:math id="m1249">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a coupling constant (positive or negative). In the strong screening limit <inline-formula id="inf1080">
<mml:math id="m1250">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e. for a short-range interaction, we obtain<disp-formula id="eA54">
<mml:math id="m1251">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A54)</label>
</disp-formula>This is similar to the Cahn-Hilliard expansion in soft matter physics. The first term leads to a self-interaction potential <inline-formula id="inf1081">
<mml:math id="m1252">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>. The second term is new in the BEC context and was originally introduced in Appendix N of <xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis (2017b)</xref> [see also <xref ref-type="bibr" rid="B88">Chavanis (2018a)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B108">Chavanis (2023a)</xref>]. It leads to a generalized GP equation of the form<disp-formula id="eA55">
<mml:math id="m1253">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A55)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf1082">
<mml:math id="m1254">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The Jeans instability theory of <xref ref-type="sec" rid="s8">Section 8</xref> can be generalized straightforwardly by simply replacing <inline-formula id="inf1083">
<mml:math id="m1255">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf1084">
<mml:math id="m1256">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B108">Chavanis, 2023a</xref>). We see that quantum effects disappear <inline-formula id="inf1085">
<mml:math id="m1257">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <inline-formula id="inf1086">
<mml:math id="m1258">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Furthermore, the effective Planck constant is positive for <inline-formula id="inf1087">
<mml:math id="m1259">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and imaginary for <inline-formula id="inf1088">
<mml:math id="m1260">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, leading to new instabilities (Chavanis, In preparation). It is also possible to generalize the Gaussian ansatz of <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix 2</xref>. We just have to add in <inline-formula id="inf1089">
<mml:math id="m1261">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the potential<disp-formula id="eA56">
<mml:math id="m1262">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A56)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf1090">
<mml:math id="m1263">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B87">Chavanis, 2017b</xref>). We then find that the mass-radius relation becomes<disp-formula id="eA57">
<mml:math id="m1264">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A57)</label>
</disp-formula>Furthermore, one can show that the identity from <xref ref-type="disp-formula" rid="eA17">Equation A17</xref> remains valid in this more general situation. Under certain conditions, there is an extremum mass <inline-formula id="inf1091">
<mml:math id="m1265">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ext</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at a radius <inline-formula id="inf1092">
<mml:math id="m1266">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> determined by the second degree equation<disp-formula id="eA58">
<mml:math id="m1267">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A58)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the noninteracting case <inline-formula id="inf1093">
<mml:math id="m1268">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, when <inline-formula id="inf1094">
<mml:math id="m1269">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, there is a maximum mass <inline-formula id="inf1095">
<mml:math id="m1270">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at a radius <inline-formula id="inf1096">
<mml:math id="m1271">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given by<disp-formula id="eA59">
<mml:math id="m1272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A59)</label>
</disp-formula>Stable equilibrium states only exist for <inline-formula id="inf1097">
<mml:math id="m1273">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf2098">
<mml:math id="m1274">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When <inline-formula id="inf1099">
<mml:math id="m1275">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, there is a minimum radius<disp-formula id="eA60">
<mml:math id="m1276">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A60)</label>
</disp-formula>at which <inline-formula id="inf1100">
<mml:math id="m1277">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The equilibrium states of any mass are stable.</p>
<p>In the nongravitational case <inline-formula id="inf1101">
<mml:math id="m1278">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, when <inline-formula id="inf1102">
<mml:math id="m1279">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1103">
<mml:math id="m1280">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, there is a minimum mass <inline-formula id="inf1104">
<mml:math id="m1281">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at a radius <inline-formula id="inf1105">
<mml:math id="m1282">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> given by<disp-formula id="eA61">
<mml:math id="m1283">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A61)</label>
</disp-formula>Stable equilibrium states only exist for <inline-formula id="inf1106">
<mml:math id="m1284">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf1107">
<mml:math id="m1285">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. There is no stable equilibrium state in the other cases.</p>
<p>In the TF limit <inline-formula id="inf1108">
<mml:math id="m1286">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the equilibrium states exist at a unique radius determined by the second degree equation<disp-formula id="eA62">
<mml:math id="m1287">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A62)</label>
</disp-formula>
</p>
</app>
</app-group>
</back>
</article>