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    ijaa
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    <journal-title>
     International Journal of Astronomy and Astrophysics
    </journal-title>
   </journal-title-group>
   <issn pub-type="epub">
    2161-4717
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   <issn publication-format="print">
    2161-4725
   </issn>
   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
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   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/ijaa.2025.151001
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   <article-id pub-id-type="publisher-id">
    ijaa-140172
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     <subject>
      Articles
     </subject>
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    <subj-group subj-group-type="Discipline-v2">
     <subject>
      Physics 
     </subject>
     <subject>
       Mathematics
     </subject>
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   <title-group>
    Why Do Galaxies Have Extended Flat Rotation Curves?
   </title-group>
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    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Bruce
      </surname>
      <given-names>
       Hoeneisen
      </given-names>
     </name>
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    <addr-line>
     aUniversidad San Francisco de Quito, Quito, Ecuador
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     24
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     2025
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    15
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    01
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    1
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    10
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      30,
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      November
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      2024
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      21,
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      November
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      2024
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    <date date-type="accepted">
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      21,
     </day>
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      January
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      2025
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    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
    </copyright-statement>
    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
    </license>
   </permissions>
   <abstract>
    Recent observations by Mistele et al. show that the circular velocity curves of isolated galaxies remain flat out to the largest radii probed so far, i.e., ≈1 Mpc. The velocity decline beyond the expected virial radius is not observed. These results imply that the galaxy halo is in thermal equilibrium even at large radii where particles did not have time to relax. The galaxies must have already formed in the isothermal state. How is this possible? In the present note we try to understand the formation of galaxies with warm dark matter in the expanding universe.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Galaxy
    </kwd> 
    <kwd>
      Galaxy Formation
    </kwd> 
    <kwd>
      Warm Dark Matter
    </kwd> 
    <kwd>
      Elliptical Galaxy
    </kwd>
   </kwd-group>
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  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>The present study is inspired by weak gravitational lensing measurements that find galaxy circular velocities of test particles to be approximately constant out to the largest radii probed so far, i.e., ≈1 Mpc <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-1">
     [1]
    </xref>. The expected virial radius, beyond which the rotation velocity should decline with the Kepler law, is not observed. The flat rotation curves correspond to the “isothermal sphere” with density run 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> with particles with the Maxwell-Boltzmann distribution. Consider a galaxy with a rotation velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        200 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> km/s. The radius 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> at which the rotation period equals the age of the universe is 0.5 Mpc. So the galaxy at large 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> has no time to relax to the isothermal equilibrium state: the galaxy must have formed already in this isothermal state. How is this possible?</p>
   <p>
    <xref ref-type="fig" rid="fig1">
     Figure 1
    </xref> presents measured total densities 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          tot 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and baryon densities 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> of the large elliptical galaxy J1313+4615 <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-2">
     [2]
    </xref>. The dark matter density is 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          tot 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. The curves are obtained by integrating numerically</p>
   <fig id="fig1" position="float">
    <label>Figure 1</label>
    <caption>
     <title>Figure 1. Observed <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-2">
       [2]
      </xref> and calculated densities 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    ρ
   
         </mi> 
   
         <mrow> 
    
          <mtext>
           
     tot
    
          </mtext>
   
         </mrow> 
  
        </msub> 
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mi>
          
    r
   
         </mi> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math>, 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    ρ
   
         </mi> 
   
         <mi>
          
    b
   
         </mi> 
  
        </msub> 
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mi>
          
    r
   
         </mi> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math> and 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    ρ
   
         </mi> 
   
         <mi>
          
    h
   
         </mi> 
  
        </msub> 
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mi>
          
    r
   
         </mi> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math> of galaxy J1313+4615. The fitted parameters are 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msqrt> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             〈 
           </mo> 
     
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mi>
                b 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
     
           <mo>
             〉 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
  
        </msqrt> 
 
       </mrow>

      </math>, 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msqrt> 
   
         <mrow> 
    
          <mrow>
     
           <mo>
             〈 
           </mo> 
     
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mi>
                h 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
     
           <mo>
             〉 
           </mo>
    
          </mrow>
   
         </mrow> 
  
        </msqrt> 
 
       </mrow>

      </math>, 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    ρ
   
         </mi> 
   
         <mi>
          
    b
   
         </mi> 
  
        </msub> 
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <msub> 
     
           <mi>
             r 
           </mi> 
     
           <mrow> 
            <mi>
              min 
            </mi> 
           </mrow> 
    
          </msub> 
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math> and 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    ρ
   
         </mi> 
   
         <mi>
          
    h
   
         </mi> 
  
        </msub> 
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <msub> 
     
           <mi>
             r 
           </mi> 
     
           <mrow> 
            <mi>
              min 
            </mi> 
           </mrow> 
    
          </msub> 
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math> (or 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    v
   
         </mi> 
   
         <mrow> 
    
          <mi>
           
     h
    
          </mi>
    
          <mtext>
           
     rms
    
          </mtext>
   
         </mrow> 
  
        </msub> 
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mn>
          
    1
   
         </mn> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math>) <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
       [3]
      </xref>. Freeing a central black hole mass 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    M
   
         </mi> 
   
         <mrow> 
    
          <mi>
           
     B
    
          </mi>
    
          <mi>
           
     H
    
          </mi>
   
         </mrow> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   =
  
        </mo>
  
        <mn>
         
   0
  
        </mn>
 
       </mrow>

      </math> does not change the fit significantly. The figure defines the core radius 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    r
   
         </mi> 
   
         <mi>
          
    c
   
         </mi> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> and density 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    ρ
   
         </mi> 
   
         <mi>
          
    c
   
         </mi> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math>, and the radius 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    r
   
         </mi> 
   
         <mrow> 
    
          <mi>
           
     max
    
          </mi>
   
         </mrow> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> with density 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    ρ
   
         </mi> 
   
         <mrow> 
    
          <mi>
           
     max
    
          </mi>
   
         </mrow> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   ≡
  
        </mo>
  
        <mi>
         
   ρ
  
        </mi>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <msub> 
     
           <mi>
             r 
           </mi> 
     
           <mrow> 
            <mi>
              max 
            </mi> 
           </mrow> 
    
          </msub> 
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
  
        <mo>
         
   =
  
        </mo>
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    Ω
   
         </mi> 
   
         <mi>
          
    m
   
         </mi> 
  
        </msub> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    ρ
   
         </mi> 
   
         <mrow> 
    
          <mtext>
           
     crit
    
          </mtext>
   
         </mrow> 
  
        </msub> 
 
       </mrow>

      </math> in this example (or a void, or the halo of a neighboring galaxy).</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/4501358-rId27.jpeg?20250124035855" />
   </fig>
   <p>hydrostatic equations <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref> that describe two self-gravitating classical non-relativistic gases, “baryons” and “warm dark matter”, in mechanical and, separately, in thermal equilibrium. To start the numerical integration it is necessary to provide four boundary conditions: the root-mean-square radial thermal velocities 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> (independent of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>) and the core densities 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, of baryons and of the dark matter halo, respectively. These boundary conditions are varied to minimize a 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         χ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> between the numerical integration and the data. “Baryons” are mostly neutral and ionized hydrogen and helium during the formation of first generation galaxies, and mostly stars, dust and neutral and ionized gas in later galaxies. The results of the fits are that the radial root-mean-square thermal velocities of dark matter particles and baryons are similar, with</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msqrt> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             〈 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mi>
                b 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
           <mo>
             〉 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msqrt> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msqrt> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             〈 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mi>
                h 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
           <mo>
             〉 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msqrt> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(1)</p>
   <p>in the approximate range 0.5 to 0.7 in elliptical galaxies <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-4">
     [4]
    </xref>. (In spiral galaxies we find 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       α 
     </mi> 
    </math> in the approximate range 0.4 to 2.5 <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-5">
     [5]
    </xref> as a result of galaxy rotation acquired, presumably, during galaxy collisions and mergers. Rotating galaxies are beyond the scope of the present study.) We note that baryons and warm dark matter have, in general, different temperatures. Therefore, non-gravitational dark matter-baryon interactions can be neglected on galactic scales. Why is 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       α 
     </mi> 
    </math> of order 1? At large radii 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        &gt; 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          eq 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> the dark matter density dominates. At small 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          eq 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> the baryon density dominates in large galaxies, while in dwarf galaxies dark matter may dominate even in the core. Excellent fits to the observed density runs of baryons 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and dark matter 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> are obtained for dwarf <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-6">
     [6]
    </xref>, spiral <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-5">
     [5]
    </xref> and elliptical <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-4">
     [4]
    </xref> galaxies with absolute luminosities that span 4 orders of magnitude, and baryon core densities that span 6 orders of magnitude. These excellent fits justify the hydrostatic equations with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> independent of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>. If the galaxies have a third gas, e.g., cold dark matter, current observations can not distinguish it from the baryons since we already obtain excellent fits to the data. An important observation is that the warm dark matter core has an adiabatic invariant 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> common to dwarf, spiral and elliptical galaxies, even though 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> can be orders of magnitude less than 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, as in <xref ref-type="fig" rid="fig1">
     Figure 1
    </xref>. We interpret this adiabatic invariant to be of cosmological origin, and identify 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> with the comoving root-mean-square thermal velocity of the non-relativistic warm dark matter particles in the early universe (see Section 3 below). There is no such observed adiabatic invariant for baryons, possibly because baryons have non-elastic collisions and radiate energy (while the measured 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> for dark matter has a spread of factor 3 between galaxies, the corresponding 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> for baryons has a spread of 100 <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-4">
     [4]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-6">
     [6]
    </xref>).</p>
   <p>The purpose of the present note is to try to understand <xref ref-type="fig" rid="fig1">
     Figure 1
    </xref> and the isothermal formation of galaxies. These studies are a continuation of <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref> and <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-4">
     [4]
    </xref>.</p>
   <p>The basic building block of the galaxy is the isothermal sphere that we briefly review in Section 2. This isothermal sphere grows in thermal equilibrium due to the expansion of the universe (Section 3). The dark matter core radius is determined by the dark matter “warmness” 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (Section 4). The preceeding results are valid even if the galaxy has a mix of particles with different masses, so long as collisions are elastic (Section 5). The mix of warm dark matter and baryons, and the effect of inelastic baryon collisions are studied in Section 6. Conclusions follow.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. The Isothermal Sphere</title>
   <p>The flat rotation curves indicate that the galaxy approximates an “isothermal sphere” with particles that obey the Maxwell-Boltzmann distribution <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref>. For convenience we briefly review the isothermal sphere. In the first approximation, let us consider a galaxy as a self-gravitating non-relativistic gas of warm dark matter particles of mass 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       m 
     </mi> 
    </math>. These particles may be collisionless or may collide elastically. We are interested in spherically symmetric static solutions in mechanical and thermal equilibrium. The corresponding hydrostatic equations are Newton’s equation, and the equation of conservation of radial momentum:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mtext>
         d 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mn>
        4 
      </mn> 
      <mi>
        π 
      </mi> 
      <mi>
        G 
      </mi> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        P 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          P 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mi>
        P 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(2)</p>
   <p>where the mean-square dark matter particle radial velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is independent of the radial coordinate 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>, i.e., is isothermal. The only solution with density run 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> is</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <mi>
          G 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(3)</p>
   <p>with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>. Here we have defined 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
      <msubsup> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math>. The velocity of a test particle in a circular orbit is 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>. Observed flat rotation curves at large 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> indicate that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is independent of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>, i.e., the galaxy halo is an isothermal sphere at large 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>. The gravitational potential per unit mass with respect to a radial coordinate 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        Φ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msubsup> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mtext>
        ln 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(4)</p>
   <p>The general solution of (2) depends on two boundary conditions, i.e., the core density 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> at 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> (and the mass of a central black hole that we will not consider here). In other words, to initiate the numerical integration of (2) the boundary conditions 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> are required. Here we will be interested in an approximate analytical solution defined by two asymptotes: the density (3) for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        ≫ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        ≪ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. These two asymptotes meet at the core radius</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             〈 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
           <mo>
             〉 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mi>
            G 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(5)</p>
   <p>Note that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is defined at large 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>.</p>
   <p>The energy of one particle at 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>, with total momentum 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        p 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mi>
          β 
        </mi> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>, is</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <msubsup> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mtext>
        ln 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(6)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> if dark matter is collisionless and velocities are radial, or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> if dark matter particles have elastic collisions and the velocities have become isotropic.</p>
   <p>The mean number of particles (&lt;1) in a quantum state in the non-degenerate gas is proportional to the Boltzmann factor 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        exp 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            k 
          </mi> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is a constant (independent of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>), with units Joule, called “temperature”. The number of quantum states of a particle in the phase space volume 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mtext>
         d 
       </mtext> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <msup> 
       <mtext>
         d 
       </mtext> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> is proportional to this volume. The number of particles per unit phase space volume is</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <msup> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           p 
         </mi> 
        </mstyle> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <mtext>
        exp 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            k 
          </mi> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(7)</p>
   <p>The mean-square total velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> obtained from (7) satisfies these equations:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(8)</p>
   <p>independently of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>. The energy of each particle in 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is (6). Since the exponential in (7) separates into factors that depend either on 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> or on 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       p 
     </mi> 
    </math>, the density of the gas is 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> if 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, so 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>. 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> is in disagreement with thermal equilibrium and the observed flat rotation curves at large 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>. We conclude that dark matter particles have elastic collisions, and velocities become isotropic at least in the core. In each volume element 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mtext>
         d 
       </mtext> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, the particle velocities have the same Maxwell distribution with the same 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and same 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> independent of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>.</p>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. The Isothermal Sphere in an Expanding Universe</title>
   <p>A homogeneous expanding universe has a matter density:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mtext>
            crit 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(9)</p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is the expansion parameter (normalized to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> at the present time 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>). We assume matter dominates so 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>. The dark matter particle root-mean-square thermal velocity at expansion parameter 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       a 
     </mi> 
    </math> is</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mtext>
            rms 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(10)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is the adiabatic invariant that defines how “warm” the dark matter is.</p>
   <p>Consider a positive density perturbation in a homogeneous expanding universe. An observer in this density peak “sees” dark matter expand adiabatically, reach maximum expansion, and then contract into the core of a galaxy. By fitting galaxy rotation curves (or galaxy density runs) it is possible to measure 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           V 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> at large 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>, and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <msup> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               / 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mi>
            G 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> at small 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>, and obtain</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <msup> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mtext>
                crit 
              </mtext> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(11)</p>
   <p>If the expansion and contraction were free of relaxation and rotation, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <msup> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> would be equal to the adiabatic invariant 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. However, due to relaxation and rotation, in general 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <msup> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≳ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-7">
     [7]
    </xref>. The measured width of the distribution of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <msup> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> determines the contribution from relaxation and rotation (a factor 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       γ 
     </mi> 
    </math> between 1 and ≈3), and the lower bound of the measured distribution determines the adiabatic invariant 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. Fits to dwarf galaxy rotation curves, with a core density dominated by dark matter, obtain 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        406 
      </mn> 
      <mo>
        ± 
      </mo> 
      <mn>
        69 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> m/s <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-6">
     [6]
    </xref>. A summary of measurements that justify the interpretation that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is of cosmological origin is presented in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-7">
     [7]
    </xref>.</p>
   <p>At 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        &gt; 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> the halo of the isolated galaxy approaches the density run 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> until it reaches, in our example, the mean density of the expanding universe (9) (or a void, or the halo of a neighboring galaxy). This behavior can be seen by solving hydrodynamical equations <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref>. The galaxy halo reaches 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            max 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> at</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                max 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(12)</p>
   <p>At 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, the Hubble expansion parameter is</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            ρ 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               a 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                max 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mtext>
              crit 
            </mtext> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
      <msubsup> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(13)</p>
   <p>Note (from (5), (12), (13) and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          crit 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <msubsup> 
         <mi>
           H 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            8 
          </mn> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mi>
            G 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>) that the expansion velocity at 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is independent of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(14)</p>
   <p>The ≈ symbol is due to the inhomogeneity of the universe density during galaxy formation. In (14) we are neglecting the dark matter thermal velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            max 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mtext>
            rms 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            max 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> at 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>The particles that are captured at 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> by the growing galaxy halo form a galaxy in thermal equilibrium if the expansion velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>. These particles populate the tail end of the Boltzmann distribution. We note that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        M 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, so the fraction of particles with energies</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mtext>
        ln 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(15)</p>
   <p>in the interval corresponding to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, is proportional to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>We also note that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> grows in proportion to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> while the separation between neighboring galaxies grows slower (in proportion to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>), so the universe becomes filled with galaxy halos leaving little intergalactic medium.</p>
   <p>In conclusion, the halo formation is approximately isothermal without the need for relaxation: the galaxy halo radius grows populating the tail of the Maxwell-Boltzmann distribution (7).</p>
  </sec><sec id="s4">
   <title>4. The Galaxy Core</title>
   <p>Let us consider a dwarf galaxy with a core density dominated by warm dark matter. We neglect dark matter particle collisions during the first orbit. A dark matter particle orbit has a distance of closest approach to the galaxy center 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          min 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> that is obtained from 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, the transverse thermal velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mo>
        ± 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mtext>
            rms 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            max 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> at 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, the velocity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
          <mi>
            ln 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  max 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               / 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> in the core of a dark matter particle captured at 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          max 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, and by conservation of angular momentum:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          min 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        ± 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mtext>
            rms 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <msup> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mtext>
            rms 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                max 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(16)</p>
   <p>The function</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              max 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                max 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           6 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msqrt> 
         <mrow> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mi>
            ln 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 ρ 
               </mi> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               / 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 ρ 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  max 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msqrt> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(17)</p>
   <p>lies in the range 0.5 to 1.4 for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            max 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> in the range 10 to 10<sup>5</sup>, and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       β 
     </mi> 
    </math> either 1 or 3. So, the core radius 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> implies that the measured 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <msup> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> in the core of a galaxy is approximately equal to adiabatic invariant 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> defined in (10), and so is indeed of cosmological origin (as argued in Section 3 and in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref>, and as confirmed by measurements summarized in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-7">
     [7]
    </xref>).</p>
  </sec><sec id="s5">
   <title>5. The Iso-

    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
      <mrow>
   
       <mo>
        
    〈
   
       </mo> 
   
       <mrow> 
    
        <msubsup> 
     
         <mi>
           v 
         </mi> 
     
         <mi>
           r 
         </mi> 
     
         <mn>
           2 
         </mn> 
    
        </msubsup> 
   
       </mrow> 
   
       <mo>
        
    〉
   
       </mo>
  
      </mrow>
 
     </mrow>

    </math> Sphere</title>
   <p>So far, we have considered a gas of particles of mass 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       m 
     </mi> 
    </math>. Let us now consider a gas with a mix of particles with different masses. We still consider the case of particles that have elastic collisions. The results of sections 2 and 3 remain valid, except that 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       E 
     </mi> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> in (7) are proportional to the particle masses, see (6) and (8). The Maxwell-Boltzmann distribution of velocities remains unchanged because 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is independent of mass. Note that, if particles are unable to exchange energy, particles of different masses have different temperatures. However, in equilibrium 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> remains the same for all particles, independently of their mass, and independent of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>. In this case the “isothermal sphere” should more properly be called the “iso- 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> sphere”. In the limit of baryons with elastic collisions, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> (with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       α 
     </mi> 
    </math> defined in (1)).</p>
  </sec><sec id="s6">
   <title>6. Adding Baryons</title>
   <p>Let us consider the galaxy as a self-gravitating mix of two gases: warm dark matter that has elastic collisions, and baryons that have inelastic collisions. The hydrostatic equations are two sets of equations like (2) separately for warm dark matter and baryons, with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref>. To start the numerical integration it is necessary to provide four boundary conditions: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. These four parameters need to be taken from observations, predictions or simulations. Excellent fits to the data of dwarf, spiral and elliptical galaxies justify taking 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> independent of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>. The asymptotic solutions of the hydrostatic equations are:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <mi>
          G 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               α 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(18)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        : 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            min 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <msup> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <mi>
          G 
        </mi> 
        <msup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(19)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       α 
     </mi> 
    </math> is defined in (1). These asymptotic solutions allow an understanding of <xref ref-type="fig" rid="fig1">
     Figure 1
    </xref>. Note that in the limit 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> we recover the “iso- 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> sphere”. Why is 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> in elliptical galaxies <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-4">
     [4]
    </xref>? There are two reasons. For first generation galaxies, the “baryons”, mostly hydrogen and helium, become neutral and decouple from photons at redshift 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         z 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          eq 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1090 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, and so for first generation galaxies 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          b 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mn>
        8 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mtext>
         m 
       </mtext> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mtext>
         s 
       </mtext> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≪ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mn>
        406 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mtext>
         m 
       </mtext> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mtext>
         s 
       </mtext> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. Hydrodynamical equations show that the collapsing warmer dark matter develops a core and forms later than the colder baryons <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref>. The second reason for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> is that baryons have inelastic collisions and gradually migrate towards the center of the galaxy halo. In large galaxies, the core density is dominated by baryons. The baryon core radius determines, and is equal to, the dark matter core radius. The shrinking baryon core radius compresses the warm dark matter in the core conserving the adiabatic invariant 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (see <xref ref-type="fig" rid="fig1">
     Figure 1
    </xref>).</p>
   <p>Photometric and spectroscopic galaxy observations may obtain the redshift 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       z 
     </mi> 
    </math>, the stellar mass 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mtext>
         * 
       </mtext> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, and the baryon velocity dispersion 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math>. If detailed density runs 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         b 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> are observable, as in <xref ref-type="fig" rid="fig1">
     Figure 1
    </xref>, then the break radius 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          eq 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is obtained, and a redundant measurement of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> is possible:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          eq 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mi>
          π 
        </mi> 
        <mi>
          G 
        </mi> 
        <msubsup> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mtext>
            eq 
          </mtext> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(20)</p>
   <p>Integrating the asymptotes (18) obtains</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mtext>
         * 
       </mtext> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msup> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <msup> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              b 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          eq 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>(21)</p>
   <p>(valid for 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>). As a first approximation we may take 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mn>
        0.6 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, so (21) is another constraint between 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          eq 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         〈 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mo>
         〉 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>The adiabatic invariant places another constraint between the boundary conditions:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <msup> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           〈 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           〉 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mtext>
                crit 
              </mtext> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  min 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mi>
        γ 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(22)</p>
   <p>with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        406 
      </mn> 
      <mo>
        ± 
      </mo> 
      <mn>
        69 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> m/s <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-7">
     [7]
    </xref>, and the relaxation factor 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       γ 
     </mi> 
    </math> observed to be in the approximate range from 1 to 3.</p>
   <p>Galaxy stellar masses 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mtext>
         * 
       </mtext> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> may be related to primordial linear density perturbations of total (dark matter plus baryon) mass 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       M 
     </mi> 
    </math>. This mass 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       M 
     </mi> 
    </math> is defined by the Press-Schechter formalism with a gaussian window function and a power spectrum 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        P 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         τ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> with a cut-off factor 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         τ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> due to the warm dark matter free-streaming <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-8">
     [8]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-10">
     [10]
    </xref>. These Press-Schechter predictions, or their ellipsoidal collapse extensions pioneered by R.K. Sheth and G. Tormen <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-11">
     [11]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-12">
     [12]
    </xref>, are in excellent agreement with galaxy stellar mass 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mtext>
         * 
       </mtext> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and ultra-violet luminosity distributions in a wide range of redshifts <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-9">
     [9]
    </xref>. Comparing these predictions with observations we obtain the following approximate relation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-9">
     [9]
    </xref>:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           M 
         </mi> 
         <mo>
           ⊙ 
         </mo> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mn>
          10 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mn>
          1.5 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           M 
         </mi> 
         <mtext>
           * 
         </mtext> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           M 
         </mi> 
         <mo>
           ⊙ 
         </mo> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(23)</p>
   <p>An empirical constraint between 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mtext>
         * 
       </mtext> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       V 
     </mi> 
    </math> is the baryonic Tully-Fisher relation for isolated galaxies <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-1">
     [1]
    </xref>. Similar relations are obtained from (20) and (21):</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mtext>
         * 
       </mtext> 
      </msub> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          eq 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           V 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msqrt> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mtext>
              eq 
            </mtext> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </msqrt> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(24)</p>
  </sec><sec id="s7">
   <title>7. Conclusions</title>
   <p>The observed extended flat rotation curves of galaxies <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-1">
     [1]
    </xref> indicate that galaxies are approximately isothermal spheres with particles obeying the Maxwell-Boltzmann distribution <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref>. The dark matter particles are collisional and these collisions are elastic. The galaxies do not have time to relax to the isothermal equilibrium state, so they must have formed already in this state. This isothermal formation is due to the growing galaxy halo with density run 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∝ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> at large 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math>, and the expansion of the universe. The particles falling into the growing galaxy halo potential well populate the tail end of the Maxwell-Boltzmann distribution. The halos grow until they meet voids or halos of neighboring galaxies.</p>
   <p>The dark matter core radius is determined by the “warmness” 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> of the dark matter. This adiabatic invariant is of cosmological origin, as shown by arguments in Section 3 and in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-3">
     [3]
    </xref>, by measurements summarized in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-7">
     [7]
    </xref>, and by the observed dwarf galaxy dark matter cores as shown in section 4. The measured warm dark matter adiabatic invariant 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mtext>
          rms 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> happens to be in agreement with the “no freeze-in and no freeze-out” scenario of scalar dark matter coupled to the Higgs boson <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-7">
     [7]
    </xref>.</p>
   <p>“Baryons” have lower thermal velocities than dark matter during the formation of first generation galaxies, and have inelastic collisions, radiate energy, and migrate towards the bottom of the gravitational potential well, so 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             〈 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mi>
                b 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
           <mo>
             〉 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             〈 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mi>
                h 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
           <mo>
             〉 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math> becomes less than 1.</p>
   <p>In large galaxies, the core baryon density may dominate the core warm dark matter density by several orders of magnitude, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig1">
     Figure 1
    </xref>, yet the measured adiabatic invariant in the warm dark matter core remains invariant within uncertainties and relaxation corrections <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-4">
     [4]
    </xref>.</p>
   <p>Note that warm dark matter simulations should not neglect the thermal velocity if the galaxy core is of interest. If the intergalactic medium is of interest, as in studies of the Lyman- 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       α 
     </mi> 
    </math> forest of quasar light, it is necessary to cross-check that the simulations obtain the observed extended galaxy halos with flat rotation curves <xref ref-type="bibr" rid="scirp.140172-1">
     [1]
    </xref>, since these halos leave little space to the “intergalactic medium”.</p>
  </sec><sec id="s8">
   <title>Acknowledgements</title>
   <p>I thank Karsten Müller for his early interest in this work and for many useful discussions.</p>
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