Astroinformatik: Nicht ohne meinen Computer

Schülerinnen und Schüler, die für ein Praktikum zu uns ans Haus der Astronomie kommen, sind oft etwas überrascht, wie groß die Rolle ist, die Computer bei der astronomischen Datenauswertung spielen. Tatsächlich aber beobachten Astronomen heutzutage nicht mehr mit bloßem Auge, und auch Fotografie auf klassischem Film spielt keine Rolle mehr. Tatsächlich waren Astronomen Pioniere bei der Nutzung und Weiterentwicklung der ersten CCD-Chips. Auch in der Amateurastronomie führten CCD-Kameras zu einem Boom – und zu spektakulären Bildern, wie sie selbst die professionelle Astronomie vor einigen Jahrzehnten nicht zustandebringen konnten. Astroinformatik in den verschiedensten Ausprägungen ist aus der Astronomie nicht mehr wegzudenken.

Bild des Orion-Nebels: Auch digitale Bildbearbeitung ist streng genommen Astroinformatik.

So etwas geht bereits mit einem kleineren Teleskop und einer Digitalkamera: farbenfroher Orion-Nebel M42. Bild: The Orion Nebula M42.jpg von Nutzer Rawastrodata via Wikimedia Commons unter Lizenz CC BY-SA 3.0

Solche Bilder lassen sich direkt elektronisch nachbearbeiten. Und weil es in der Wissenschaft nun einmal nicht um schöne Bilder geht, sondern um systematische Auswertung, muss man dazu die digitalen Bilddaten verarbeiten: man muss programmieren. Um die Einflüsse des Instruments herauszurechnen, ein Farbbild zu produzieren (siehe Säulen der Schöpfung: Von den Daten zum Bild), aber auch für die eigentliche Auswertung: Sternpositionen und -helligkeiten möglichst automatisch bestimmen, den Helligkeitsverlauf, aus dem sich Rückschlüsse auf die dreidimensionale Form ziehen lassen, oder die Spektren auszuwerten, mit ihren Informationen über chemische Zusammensetzung, Temperatur und großräumige Bewegung.

Big Data in der Astronomie

Hinzu kommt, dass auch in der Astronomie die Ära der großen Datenmengen, die Zeit von “Big Data” längst begonnen hat. Eine Pionierrolle hat dabei der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) gespielt, der erstmals in großem Stil systematisch Himmelsaufnahmen und Spektren von Sternen und Galaxien in großer Zahl aufgenommen hat – unter genau kontrollierten Bedingungen, so dass die Daten der unterschiedlichen Objekte direkt vergleichbar waren. Wo die Astronomen vorher handverlesene kleinere Stichproben ausgewertet hatte, standen mit dem SDSS und seinen Nachfolgern auf einen Schlag hochwertige und vergleichbare Daten für tausende bis hunderttausende Sterne und Galaxien zur Verfügung. So ließ sich vernünftig Statistik betreiben, und systematische Trends und Gesetzmäßigkeiten erkennen. Diese Art von Forschung hatte auf die Astronomie der letzten Jahrzehnte vermutlich ähnlich starke Auswirkung wie die detailreichen Bilder des Weltraumteleskops Hubble.

Das folgende Bild zeigt ein weiteres Beispiel: die jüngst veröffentlichte Himmelskarte der Pan-STARRS 1-Durchmusterung. Würde man die Originaldaten in guter Qualität in voller Auflösung ausdrucken, wäre der resultierende Print rund 2 Kilometer lang.

Stark verkleinerte Ansicht der Himmelskarte, die das Pan-STARRS 1-Konsortium im Dezember 2016 veröffentlichte. Bild: Danny Farrow, Pan-STARRS1 Science Consortium and Max Planck Institute for Extraterrestial Physics

Das Universum im Computer

Illustris-Simulation: Entstehung der großräumigen Strukturen bis hin zu einzelnen Galaxien, simuliert im Supercomputer. Bild: Illustris

Eine Schlüsselrolle spielen Computer in der Astrophysik überall dort, wo komplexe Systeme simuliert werden müssen. Vielteilchen-Simulationen, in denen die Bahnen von Abermilliarden Teilchen unter dem Einfluss ihrer gegenseitigen Schwerkraft und weiterer Faktoren verfolgt werden, gehören ebenso dazu wie komplexe hydrodynamische Simulationen. Ein schönes Beispiel ist die 2014 veröffentlichte Illustris-Simulation, von der rechts ein Schnappschuss zu sehen ist. In vorher nie erreichter Präzision simuliert Illustris die Entstehung von Galaxien, verfolgt die Ballung Dunkler Materie ebenso wie Gasdichte, Temperatur, Entropie und Geschwindigkeiten der dabei beteiligten “Teilchen”.

Der Computer als erweiterter Taschenrechner

Dieses Histogramm sagt mehr als die 183,487 Einzelbilder von Galaxien, auf denen es beruht – nämlich dass es zwei Populationen von Galaxien gibt (linkes und rechtes Maximum): bläuliche und rötliche. Offenbar wird die Entstehung neuer Sterne (die hellsten davon sind bläulich) bei einigen Galaxien schlicht abgeschaltet.

Im Forschungsalltag – bei den Astrophysikern ebenso wie bei Menschen wie ich, die vor allem an Elementarisierung und didaktischen Aspekten forschen ebenso wie bei unseren Praktikanten – spielen Computer noch eine weitere wichtige Rolle. Um Daten und vereinfachte Modelle zu verstehen nutzt man verschiedene Werkzeuge: Bleistift und Papier für einfache Rechnungen, klar, aber beispielsweise seltener einen Taschenrechner – Fälle, in denen man schnell einzelne numerische Daten eintippen möchte, sind recht selten. Häufiger ist es, dass man mit Einheiten, Konstanten etc. rechnen möchte, oder bestimmte Datenreihen manipulieren, oder verschiedene Größen grafisch gegeneinander auftragen – ein Diagramm sagt eben mitunter mehr als 183,487 Bilder.

Für solche Zwecke ist es das einfachste, jeweils direkt ein kleines Programm zu schreiben, das man variieren und wiederholen kann und das vorhandene astronomische Funktionen bzw. Programmbibliotheken nutzt.

Solche hilfreichen Programmwerkzeuge zu programmieren ist damit eine wichtige Fähigkeit für Astronomen bzw. allgemeiner für Physiker. Stand der Technik ist dabei die Programmiersprache Python, für die sich die Astronomen auch eigene Softwarepakete entwickelt haben, insbesondere Astropy.

Astronomen als Softwareentwickler

Temperatur-Helligkeitsdiagramm für Sterne. Gestrichelt eingezeichnet: Entwicklungswege von Sternen unterschiedlicher Masse, berechnet mit der frei zugänglichen Software MESA. Eigenes Bild.

Vor diesem Hintergrund gehört Programmieren längst zu den Grundkenntnissen der Astronomen. Je nach Arbeitsfeld und Veranlagung entwickeln Astronomen auch regelrechte Softwarepakete, also Programme, die von anderen Wissenschaftlern genutzt werden können (und dann natürlich auch entsprechend ausgereift und dokumentiert sein müssen).

Ob es darum geht zu berechnen, wie in einer bestimmten Situation Materie und Strahlung ein Gleichgewicht finden und damit das Aussehen eines astronomischen Objekts bestimmen, oder um die erwähnten Vielteilchen-Simulationen, um die Simulation der Sternentwicklung oder die Rekonstruktion der Eigenschaften von Galaxien aus Spektraldaten – für all das gibt es von Astronomen entwickelte Softwarpakete da draußen.

Seit einigen Jahren wird entsprechend diskutiert, ob die Astronomen, die Zeit und Arbeit investieren, um allgemein nutzbare Software erstellen, dafür genügend Anerkennung erhalten – insbesondere im Hinblick auf ihre weitere wissenschaftliche Karriere. Leider zählen Veröffentlichungen in Form von Fachartikeln nach wie vor mehr als veröffentlichte Software – aber es gibt gute Gründe dafür, dass sich das ändern sollte.

Dass Astronomen im Rahmen ihrer Arbeit Fachkenntnisse im Bereich Software und Analyse gewinnen, bedeutet auch, dass diejenigen Astronomen, die nicht im Wissenschaftsbetrieb bleiben, in einer ganzen Reihe von Fällen als Data Scientists in entsprechende Firmen wechseln. Praktische Astroinformatik als Vorbereitung auf allgemeinere Datenauswertung.

Astroinformatik im engeren Sinne

Praktisches Programmieren zur Datenauswertung und für Simulationen sind in der Astronomie so selbstverständlich, dass sich wohl die wenigsten der beteiligten Wissenschaftler/innen als “Astroinformatiker” bezeichnen würden.

Astroinformatik umfasst auch lernende Maschinen - etwa für die hier abgebildete Gaia-Mission.

Der Gaia-Satellit: So komplexe und voluminöse Daten, dass lernende Maschinen helfen müssen. Bild: ESA/ATG medialab; Hintergrund: ESO/S. Brunier

In der Wissenschaft ist diese Bezeichnung denjenigen Bereichen vorbehalten, wo sich informatische und astronomische Forschung überschneiden. Ein Programm wie jenes des IAU-Symposiums 325 Astroinformatics (2016), einer internationalen Astroinformatik-Konferenz, zeigt, worum es da geht: Um Big Data und Supercomputer, klar, aber beispielsweise auch um künstliche Intelligenz und darum, wie lernende Maschinen astronomische Daten auswerten können. (An meinem Institut gibt es eine Gruppe, die solche Methoden zur Auswertung von Daten des Astrometriesatelliten Gaia verwendet.)

Astroinformatik in der Schule

Physik und Informatik haben verschiedene Verknüpfungen. Zum einen liefert Physik die Grundlage für die tatsächliche Computertechnik, sagt uns also, wie z.B. Transistoren funktionieren. Das ist für das Informatik-Lernen aber allenfalls ein Nebenschauplatz. Eine Schlüsseleigenschaft der Informatik ist ja gerade, dass sich ihre Kernkonzepte von der physikalischen Basis abstrahieren lassen und damit von der Rechnerarchitektur ebenso wie von der Umsetzung dieser Architektur unabhängig sind.

Viel wichtiger wird die Physik, weil sie spannende Kontexte, Beispiele und Anwendungen bietet, in denen Informatik wichtig wird – sie erlaubt es, zentrale Kernkonzepte der Informatik, nämlich Problemlösungstechniken und algorithmisches Denken und die Verknüpfung der dabei wichtigen allgemeinen Modelle mit praktischen Anwendungen [1]. Die Themen der Astronomie spielen dabei eine besondere Rolle aufgrund des großen Interesses von Schülern und insbesondere auch Schülerinnen an diesem Fach (ich hatte hier etwas zu den betreffenden Interessensstudien geschrieben).

Skripting-Mode für die Planetariumssoftware Stellarium

Aus unseren Praktika hier am Haus der Astronomie sowie aus der Schulpraxis, etwa durch entsprechende Vorträge in der Astroinformatik-Ideenbörse unserer bundesweiten Lehrerfortbildung 2016, kenne ich zahlreiche Beispiele, wie Astronomie und Informatik sich ergänzen, und zwar auf allen Niveaustufen: vom Verändern vorgegebener Skripte für die Planetariums-Software Stellarium, die sich mit der Orientierung am Sternenhimmel verbinden lassen bis zu eigenen Programmieraufgaben, sei es zur Auswertung von Daten, sei es zur Bildbearbeitung.

Jugend-forscht-Arbeiten liefern weitere interessante Beispiele: da hat ein Schüler Software zur Simulation von Exoplaneten-Spuren geschrieben, ein anderer die Masse-Radius-Beziehung solcher Planeten mithilfe einer selbstgeschriebenen Software bestimmt, drei weitere Software entwickelt, die astronomische Grundlagen und Rechnungen visualisiert. Hier sind es Pulsar-Messdaten, dort Koordinatensysteme, hier Asteroiden-Positionsbestimmungen, dort die Entzerrung von Bildern.

Weitere Möglichkeiten, Astronomie und Informatik zu schulischer Astroinformatik zu verbinden, hatte ich letztes Jahr hier zusammengestellt.

Insofern gilt nicht nur für die Astronomen “nicht ohne meinen Computer”. Astronomie bietet auch sinnvolle, für Schülerinnen und Schüler attraktive Beispiele, die zeigen, warum Datenverarbeitung mittels Computern aus der modernen Wissenschaft nicht mehr wegzudenken ist und warum informatische Grundbildung und Programmierkenntnisse zur naturwissenschaftlichen Allgemeinbildung gehören.


[1] Zendler, A., Spannagel, C. & Klaudt, D. (2010). Experimentelle Untersuchung zur Grundlegung einer forschungsbasierten Informatiklehrerausbildung. Notes on Educational Informatics – Section A: Concepts and Techniques, 6(1), 25-43

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

18 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Ich habe mich gerade gewundert, wieso es Schülern unklar ist, dass man bei einem Praktikum im Haus der Astronomie viel mit Computern und Programmieren zu tun hat. Die professsionellen Astronomien saßen schon immer viel am Computer. Auch in meiner Jugend in den 70-ziger Jahren. Sterne gucken bleibt den Amateuren vorbehalten. Doch heutzutage sind die Amateure auch schon recht professionel. Mit dem Fach Astonomie in der Schule kann man gut die Informatik, Programmiersprachen, Physik, Mathematik und Chemie verbinden. Das ist dann egal, ob man sich für Chemie, Astronomie etc. entscheidet. Diese Kenntnisse der Astronomie sind die Grundlage für diese Wissenschaften. Es gab ja mal Astronomie in der Schule einige Jahre lang. Bei mir ging es nur in der Grundschule um Sterne. Kenntnisse der Astronomie habe ich mir selber angeeignet. Leider kann ich nicht programmieren. Aber vielleicht lerne ich das noch…

  2. Es wäre als Anregung auch denkbar mit den Schülern im Unterricht eine kleine Steuerung einer “Remote-Sternwarte” inkl. Auswertung von Exoplaneten-Transits / Entdeckung neuer veränderlicher Sterne aus Einzelmodulen zu programmieren. Das wäre sogar ein lohnenswertes Open-Source-Projekt, da es hier nur ziemlich veraltete Software (oder wieder sehr teuer) zu kaufen gibt.
    Als “Sensoren” kämen da in Frage:
    – Regensensor
    – oder gleich Wetterdienst via API für den Standort XYZ, ermitteln ob es wolkenlos ist/sein wird, via Regenradar beim Anrücken Dach wieder schließen
    – Kühlung der Kamera einschalten
    – Platesolving durchführen, d.h. Bild von Kamera ermitteln, Sternpositionen auslesen mit Himmelskarte “matchen”, Nachführung entsprechend korrigieren, usw.
    – Bild(er) ermitteln
    – Vergleichssterne ermitteln
    – mehrere Bilder summieren, korrigieren (via Scripting-Schnittstelle von z.B. PixInsight oder kostenloser Software…)
    – entsprechende “Exoplanetensoftware” (MuniWin und andere) ansprechen um Kurven zu generieren
    – usw. usw.
    Wenn es dafür eine nette Workflow-Umgebung gäbe könnte das modular zusammengestellt werden (evtl. simuliert in Fischer-Technik oder mit etwas anderem).

    Das könnte ein echtes Erfolgserlebnis darstellen, denn ein bekannter Amateurastronom hat innerhalb des Kepplerfeldes auf diese Weise bereits eine handvoll neuer veränderlicher Sterne entdeckt. Da bleibt noch viel Himmelsfläche übrig. Außerdem gibt es eine gewisser Bereich an Sternhelligkeiten, der von den professionellen Suchprogrammen bisher nicht abgedeckt worden ist.

    Alternativ könnte man natürlich auch bestehende Daten hernehmen und “nur” entsprechend auswerten.

    Mal ein Ansatz!

    Viel Erfolg,
    Sven

    • Danke, das sind schöne Beispiele! Mit dem Technikbezug dieses Projekts ist man natürlich auch auf dem Terrain dessen, was in Baden-Württemberg das Verbundfach “Naturwissenschaft und Technik” (in der neuen Version leider eher: Technik mit Naturwissenschafts-Fußnoten) ist. Die Möglichkeit von Erfolgserlebnissen ist jedenfalls sehr wichtig!

  3. Noch ein Tipp:
    Schon vor 25 Jahren, als ich einmal mit einer damaligen Bekannten am IAYC (damals in Slovenien) teilgenommen habe gab es dort eine “Software-Arbeitsgruppe”. Ziel war dabei in der sehr begrenzten Zeit während des Camps eine kleine “Arbeit” inkl. Programmierung zu erstellen.
    => Dabei müssen doch innerhalb von 25 Jahren einige ansehnliche Beispiele zusammengekommen sein?
    Vielleicht einfach mal bei den Veranstaltern/Betreuern nachfragen bzw. die jeweiligen Ergebnisdokumente studieren 🙂

  4. Ich kann dem Artikel nur zustimmen. Astronomie/Astrophysik ist eine der am stärksten Computer-unterstützten Wissenschaftzweige der Universität, außerhalb der Mathematik und Informatik. Das gilt sowohl für die beobachtende Astronomie, wo Terabytes an Daten von den Teleskopen verarbeitet werden müssen mit von Astronomen selbst entwickelten Algorithmen, als auch für die theoretische Astrophysik, wo komplexe Modellrechnungen auf Hochleistungsrechner durchgeführt werden.

    In meiner Arbeitsgruppe am Institut für Theoretische Astrophysik der Universität Heidelberg wird von allen Studenten, egal ob Bachelor-, Master- oder Promotionsstudent, verlangt, dass sie programmieren können. Während ihres Projekts müssen sie sich komplexe Rechenalgorithmen aneignen und eigene Modellierungs-Programme entwicklen, die genau auf die zu untersuchenden Probleme zugeschnitten sind. Und ich denke, dass das für fast alle theoretische Astrophysik Arbeitsgruppen gilt: ohne Computermodellierung ist theoretische Astrophysik heute kaum mehr denkbar.

    Dass Astronomie und Astrophysik schon seit Jahrzehnten stark mit Computer-getriebenen Datenverarbeitung und Modellierung zusammenhängt, und dass die Astronomen und Astrophysiker nicht nur “Benutzer” dieser Algorithmen, sondern oft auch deren Entwickler sind, wird vielleicht deutlich damit illustriert dass drei der vier Autoren des berühmten Buchs “Numerical Recipes”, welches für Computer-Modellierer aller Art seit 1986 bis heute eines der Handbücher par excellence ist, Astrophysiker sind.

    Die Notwendigkeit der Informatik-Kenntnissen in der Astro-Forschung, hat dazu geführt, dass Astronomie/Astrophysik an der Universität auch in der Ausbildung starke Betonung auf Informatik-Kenntnisse legt. Wir vom Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Astronomie, bieten den Kurs “Python for Scientists” an, wo nicht nur das reine Python-Programmieren gelernt wird, sondern auch die Anwendung auf typischen wissenschaftlichen Problemen und den Umgang mit den vielen dafür entwickelten Python-Bibliotheken (numpy, scipy, matplotlib).

    Die Erfahrungen die Astronomen und Astrophysiker in der angewandten Informatik erlernen, führt dazu, dass Astrophysiker leicht einen Job in der Software und/oder Big-Data Industrie finden.

    Was hat dies alles mit der Schule zu tun? Nun: ich bin davon überzeugt, dass Astronomie/Astrophysik ein sehr gutes Beispiel für die Anwendung von Informatik auf spannende Probleme ist. Und dass müssen nicht schwierige Probleme sein, sondern können durchaus Probleme sein, die Schüler mit ein bisschen Hilfe selbst mittels einfache Computerprogramme lösen können: Wie detektiert man extrasolare Planeten? Warum produzieren Sterne Licht und Wärme? Warum expandiert das All? Wie kann ich aus rohen Teleskopdaten tolle Bilder machen? Zwar kann man mit diesen Fragen keine neue iPhones herstellen, aber man lernt mittels Computertechnik etwas über die Physik. Und Astronomie ist spannend, und motiviert Erwachsene wie Schüler. Es kann Schüler eine spannende Einführung in die Physik und Informatik verschaffen. Und darum geht es doch!

    Prof. Dr. Cornelis Petrus Dullemond
    Institut für Theoretische Astrophysik,
    Zentrum für Astronomie, Universität Heidelberg

  5. Aus dem Springer Verlag gibt es das Buch “Astronomie mit dem Personal Computer” Ohne genauer hinein geschaut zu haben: Taugt das in diesem Kontext was?

  6. Ok, ich muss mal die Ingrid machen: Das Buch ist in die Jahre gekommen (2004) und stark C++ lastig. Die meisten Beispiele bekommt man auf heutigen Compilern wohl nicht mehr gebaut.

  7. Ich stimme den Aussagen in diesem Blog voll und ganz zu. Ich bin ausgebildeter Physiker und derzeit als Softwareentwickler tätig und kenne daher beide Aspekte. Nicht nur die professionelle Astronomie, sondern auch die Amateurastronomie liefert Beispiele, wie man die von Herrn Pössel angesprochenen Themenfelder im Schulunterricht konkret umsetzen kann. Ohne aufwendiges Laborequipment lassen sich mit einem einfachen Teleskop (10 Zoll Öffnung + CCD Kamera + Spaltspektrograph) viele physikalische Phänomene am Himmel beobachten. Das Kontinuum eines heißen Sterns lässt sich einfach mit den Kurven der Schwarzkörperstrahlungsgesetze (Plancksches Strahlungsgesetz) beschreiben und somit die Farbtemperatur eines Sterns bestimmen. Atomare Prozesse in den Sternatmosphären schneiden sich als Absorptionslinien in das spektrale Kontinuum eines Sterns, die Balmer Linien als prominentes Beispiel können sehr einfach aufgenommen und ausgewertet werden. In Spektren von besonders heißen Sternen lassen sich manchmal Emissionslinien erkennen, die von expandierenden Hüllen stammen. Aus dem besonderen Profil der Spektrallinie lässt sich grob die Expansionsgeschwindigkeit der Hülle bestimmen. Das Labor „Universum“ hat viel zu bieten und die heutige digitale Technik, vor allem mit dem Einsatz einer CCD Kamera, bietet auch Amateurastronomen ganz neue Möglichkeiten.

    All dies lässt sich natürlich ohne eine sorgfältige Datenreduktion nicht erreichen und dazu benötigt man Software, die viele Aspekte von Mathematik, Technik, Physik und Informatik zur Anwendung bringen. Im Folgenden einige konkrete Beispiele, die ich selbst ausprobiert habe:
    1. Messungen und Analyse von variablen Sternen und/oder Exoplaneten Transits
    Hierzu müssen unbearbeitete CCD Bilder kalibriert werden (Dunkelstromkorrektur, Flatfielding, Bias), um eine möglichst genaue Messung zu erreichen. Dann versucht man möglichst automatisch die Helligkeitsprofile der Sterne aus dem Bild zu berechnen (Point-Spread-Functions), um daraus die Sternintensitäten zu bestimmen. Dazu gibt es Softwarepakete, die das zum Teil automatisch können.
    Aus den scheinbaren Intensitäten lassen sich dann die scheinbaren Helligkeiten der Sterne berechnen. Das geht mit einfachen Formeln mit einem einfachen Tabellenkalkulationsprogramm.
    2. Positionsbestimmung von Kleinplaneten, Kometen, Doppelsternen:
    Hier müssen zuerst die Pixelpositionen der Feldsterne bestimmt und dann durch Vergleich mit Katalogsternen die absoluten Positionen der Sterne im Bild berechnet werden. Dann kann man zu gegebener Pixelposition im CCD Bild die absoluten Positionen am Himmel berechnen und somit auch die Koordinaten von sich bewegenden Objekten.
    3. Teleskop/CCD remote Control für Technikinteressierte
    Viele Teleskope haben eine Motorsteuerung, die ein automatisches Ansteuern von Objekten am Himmel ermöglicht. Es gibt einen offenen Standard INDI (http://www.indilib.org/), das ein Protokoll zum Ansteuern zur Verfügung stellt, und eine entsprechende OpenSource Software (https://github.com/indilib/indi), die dieses Protokoll in einem Client/Server Modell implementiert. Damit lassen sich Teleskop, CCD Kamera, Filterräder, Fokussiereinheiten, etc sogar remote ansteuern, also alles was ein Robotik Projekt ausmacht. Auch der Kleincomputer Raspberry Pi, der gerne in den Schulen in Projektarbeiten genommen wird, kann hier zum Einsatz kommen, z.B. als Server, der die Client Kommandos an die angeschlossenen Geräte weiterleitet.
    Viele dieser Möglichkeiten lassen sich kombinieren, erweitern oder automatisieren, und lassen somit genug Raum für viel kreative Programmierarbeit. Ich selbst benutze dafür die Software PixInsight https://pixinsight.com/, eine kommerzielle Plattform zur Bearbeitung von astronomischen Bildern. Die Plattform stellt viele Werkzeuge zur Verfügung, wie die oben von mir erwähnten Kalibrationsprozesse, oder das Bestimmen von Sternpositionen. Man kann diese Werkzeuge aber auch einfach erweitern oder kombinieren/orchestrieren. Dafür stellt die Plattform eine Javascript runtime zur Verfügung, mit der man alle in der Plattform eingebauten Bildverarbeitungsprozesse über Javascript Objekte aufrufen kann. Die Plattform bietet aber auch ein C++ Software Development Kit (SDK – https://github.com/PixInsight/) an, mit dem man eigene Bildverarbeitungsmodule programmieren kann. Dazu muss man einfach ein C++ Interface implementieren, dadurch wird diese neue Funktion auch automatisch in der Javascript runtime aufrufbar.

    Wie man leicht sehen kann, gibt es viele Möglichkeiten. Meiner Meinung nach bietet die Astronomie die ideale „Spielwiese“ für Schüler, um ihr erlerntes Wissen praktisch anzuwenden und erste Erfahrungen mit der Informatik zu machen.

    Dr. Klaus Kretzschmar

    • Danke für die schönen Beispiele! Und ein schöner Aspekt ist ja, dass sich bei all diesen Beispiele viele unterschiedliche Stufen realisieren lassen – von einfachern, direkt unterrichtstauglichen Projekten bis hin zu Jugend forscht-Arbeiten.

  8. Ich kann dem Artikel von Markus Pössel und auch Prof. Dullemonds Anmerkungen nur zustimmen. Mein eigener wissenschaftlicher Background (ca. 20 Jahre aktiv in der Forschung) liegt im Bereich der theoretischen Astrophysik, insbesondere mit Schwerpunkten im Bereich der Galaxienentwicklung und dabei meist mehr oder weniger aufwändige Simulationen und/oder semi-analytische Modelle, die auch meist ohne Computerunterstützung nicht zu realisieren waren. Dabei haben wir alle Arten von Rechenanlagen (also vom Superrechner bis zum “normalen” PC intensiv genutzt) und natürlich auch diverse Programmiersprachen verwendet. Für meine Studenten war diese breit aufgestellte EDV-Erfahrung und Ausbildung stets sehr wichtig, wenn es später um eigene Forschungsprojekte oder um die Stellensuche außerhalb der Forschung ging.
    Wie wichtig der IT-Bereich für die astronomische Forschung ist, wurde auch immer klar, wenn man an den vergleichsweise hohen Anteil der Astrophysik an der von regionalen und nationalen Rechenzentren bereitgestellten Rechenkapazität denkt (zumindest war das früher so, aber ich gehe davon aus, dass das auch heute noch gilt). Umgekehrt wurden aber auch viele Verfahren und Methoden gerade aus der Astrophysik heraus entwickelt oder Entwicklungen angestoßen. Für mich persönlich war beispielsweise das GRAPE-Projekt besonders eindrucksvoll: Hier wurde von japanischen Astrophysikern und Informatikern spezielle Chips entwickelt, deren Aufgabe es war, das gravitative N-Körper-Problem (also etwa Fragen der Entwicklung von Sternhaufen und Galaxien) zu lösen. Zudem sollte alles so kostengünstig sein, dass im Prinzip die Leistung eines Superrechners auf dem Schreibtisch des Wissenschaftlers zu bezahlbarem Geld stehen konnte. Das Ganze gelang mehrfach über die Zeit und wurde mit auch mit entsprechenden Preisen im Bereich des High-Performance-Computing gewürdigt. Auch wenn man heutzutage andere Wege für Simulationen dieser Art geht (die Technik hat sich eben weiterentwickelt), kann die Bedeutung der Astronomie als Kondensationskeim und Treiber für IT-Entwicklungen kaum offensichtlicher sein.

    Seit einigen Jahren bin ich nun als Leiter eines Planetariums aktiv. Und natürlich spielt auch hier EDV eine zunehmend dominante Rolle. Dies gilt nicht nur für die Anwendungen und Programme, die wir für die Kuppel zeigen. Es gilt auch für darüber hinausgehende Nutzungsmöglichkeiten astronomischer Software bzw. Planetariumssoftware, nicht zuletzt in Verbindung mit Anwendungen für die Kuppel. Auch wenn man hier weniger “from the scratch” programmiert, sondern mehr Skripte schreibt bzw. Touren auf der Basis ausgereifter Programme entwickelt, bleibt dies doch Programmierarbeit. Besonders spannend sind hier Anwendungen, wie das World-Wide-Telescope, das – zumindest für die Technik unsreres Hauses – Entwicklungen auf dem eigenen PC erlaubt, mit denen man dann selbst-entwickelte Reisen unter der Kuppel erleben kann. Das ist sicher eines von vielen spannenden Möglichkeiten, mit denen man junge Menschen (und nicht nur diese) für unseren Kosmos begeistern kann.

    Die Liste von Beispielen aus dem Forschungsbereich oder aus dem Bereich der Wissensvermittlung könnte man sicher fast endlos fortsetzen. Mir bleibt eigentlich eher unverständlich, wie man die ungeheuer enge Verbindung von Astronomie und Informatik NICHT sehen kann.

    Dr. Christian Theis
    Leiter des Planetariums Mannheim

    • In der Tat; bei den Astronomen kenne ich auch niemanden, dem die enge Verbindung nicht bewusst wäre. Bei den Informatikern gibt es halt Spezialisierungen, die dem wissenschaftlichen Rechnen und entsprechenden Anwendungen ferner sind; die Vertreter dieser Gattungen haben die Astronomie dann vermutlich nicht immer mit auf dem Schirm.

  9. Sehr geehrter Herr Dr. Pössel,

    ich finde es interessant, dass Sie die Verbindung Informatik-Astronomie gern weiter in den Fokus des Unterrichtes bringen. Auf diesem Gebiet hatte ich jahrelang praktische Arbeiten am Wilhelm-Ostwald-Gymnasium (WOG) in Leipzig praktisch umgesetzt. Inzwischen bin ich Rentner, leite aber noch eine Arbeitsgemeinschaft „Astrosimulation am PC“.
    Wir programmieren vorrangig in Objektpascal (Delphi mit Embacadero RadStudio). Der Vorteil ist , unsere Schüler haben von Klasse 5 an bis Klasse 10 durchgehend Informatikunterricht und können das Fach als Wahlgrundkurs bis zum Abitur fortführen. Da bietet sich die Programmierung auch im Bereich Astronomie an.
    Am WOG hat jeder Schüler der Klassenstufe 11 eine Besondere Lernleistung (BeLL) zu erbringen, wofür die Schüler 14-tägig vom Regelunterricht freigestellt in Partnerinstituten oder in der Forschung bzw. Wirtschaftsbereichen wissenschaftliche Arbeiten erstellen. Jahrelang habe ich dort Schüler im Bereich Astronomie betreut.
    Einige der erarbeiteten Programme habe ich auf meiner Homepage veröffentlicht ( http://www.astroinf.de ). Mit meinen AG-Schülern (Kl.8..9..10) haben wir zunächst Mondphasen und Bewegungen des Mondes simuliert, dann Positionsbestimmungen der Sonne und den Tagbogen für beliebige Orte auf der Erde berechnet. Wegen der großen Verbreitung von Android-Handys war dann der Wusch nach einer APP naheliegend, so ist das Programm „Planeten“ entstanden. Diese können Sie sich gerne ansehen Auf der benannten Website unter NEWS im letzten Drittel gibt es den Download. Unter Astronomie gibt es weiter Beispiele für Software. Hier findet gerade eine Überarbeitung statt (in den Softwarebeispielen müssen kleinere Änderungen vorgenommen werden um die Separatoren softwaremäßig auf . bzw. , festzulegen. Sonst kommen ärgerliche Fehlermeldungen, wenn der verwendete PC andere Separatoren als Standard festgelegt hat (z.B. nach der Installation einiger Programme den Punktseparator festlegt oder den Kommaseparator als Systemeinstellung nutzt). Das wird in der nächsten Zeit korrigiert.
    Auch unter SOFIA gibt es einen Beitrag zur Spektralanalyse und zum Bau eines Spektrometers mit Arduino.
    Evtl. können Sie da ja einige Ideen verwenden. Die unter NEWS stehenden Programme sind der aktuelle Stand nach ½ Jahr AG-Arbeit von jeweils 2 Unterrichtstunden 14-tägig und so kann man beim Tagbogenprogramm nur für sinnvolle Eingaben auch richtige Ausgaben erhalten ( Fehleingaben werden dort noch nicht abgefangen). In der Handy-App ist das lediglich bei Fehleingaben zum Datum noch nicht voll gesichert. Übernimmt man die Systemzeit, geht natürlich alles bestens. Die Genauigkeiten der Berechnungen sind für Orientierungen und Betrachtungen von Sichtbarkeiten, Diskussionen zu Fragen Astronomie/Astrologie ausreichend (letzteres, weil in der Tierkreisdarstellung sowohl die Sternbilder, als auch die Sternzeichenbereiche dargestellt sind).
    Für mich ist es immer noch nicht nachvollziehbar, Astronomie nicht als eigenständiges Unterrichtsfach für alle Schüler zu unterrichten.
    Herzliche Grüße
    Peter Scheuermann

  10. Ich bin Lehrerin für Physik, Mathematik, Astronomie, NWT, BNT und ITG am Gymnasium.

    Die Informatik in der Schule ist ohne Anwendung nicht denkbar. Sie braucht einen Sinn und Zweck für die SchülerInnen. Wie Herr Prof. Dullemond schon in seinem Kommentar gesagt hat, sind gerade in der Astronomie Informatikkenntnisse (wegen der großen Datenmengen, der Bildoptimierung von Beobachtungsaufnahmen und komplizierter Modellrechnungen) ganz besonders wichtig. Günstiger Weise ist Astronomie auch noch eine Naturwissenschaft, welche es in ganz besonderer Weise schafft, die Schüler und gerade auch die Schülerinnen für MINT Themen zu begeistern, wie ich aus meiner eigenen Erfahrung als Lehrerin sagen kann. Hier sind nur ein paar Beispiele:

    Mit meinem Astronomiekurs der Oberstufe nehme ich regelmäßig an dem internationalen Forschungsprojekt der IASC zur Auffindung neuer Asteroiden in unserem Sonnensystem teil. Die SchülerInnen lernen „ganz von selbst“ und mit Begeisterung, wie man das umfangreiche Software Paket Astrometrica installiert und mit ihm Beobachtungsdaten aus Hawaii bearbeitet und analysiert, einfach weil sie das große Ziel, zu dieser Forschung bei zu tragen, vor Augen haben.

    In meinem NWT Unterricht der 9. Klassen haben wir mithilfe der Faulkes Teleskope (als Teil des Las Cumbres Observatory Global Telescope networks) remote über Computer Software Himmelsbeobachtungen auf Hawaii und in Australien durchgeführt. Zwei meiner Schülerinnen haben als GFS Themen (einmal für Galaxien und einmal für interstellare Emissionsnebel) mit dem Computer Programm Stellarium sich geeignete Beobachtungsobjekte gesucht, diese via Softwarepaket des LCOGT beobachten lassen und dann am Computer die Beobachtungsbilder von verschiedenen Farbbereichen zu einem Gesamtbild zusammengesetzt bzw. die Bilder der verschiedenen Farbbereiche am Computer nach Sternentstehungsgebieten durchsucht.

    In einem Fach IMP, das hoffentlich an unsere Schulen kommt, könnte man zu diesen Themen noch viel komplexere Datenanalysen in den Unterricht integrieren. Hier könnte man die SchülerInnen selbst Programme erstellen lassen, mit welchen sie die scheinbaren Helligkeiten (nach Subtraktion des Dark und Division des Bias-Bildes) von Sternen eines Sternhaufens aus den Beobachtungsbildern selbst bestimmen könnten und in einem Farben-Helligkeitsdiagramm plotten könnten. Daraus würde die SchülerInnen die Entfernung zu diesem Sternhaufen selbst aus ihren Aufnahmen berechnen können. Das wäre sogar ein eigener Forschungsbeitrag.
    Derlei Beispiele gäbe es noch beliebig mehr. So wollen wir mit unserem kürzlich erworbenen H alpha Teleskop eigene Sonnenbilder via lucky imaging Computertechnik mit unserer Digitalkamera aufnehmen und mit Aufnahmen aus anderen Wellenlängenbereichen (vom Satellit SOHO und anderen) am Computer überlagern und so ein Profil des radialen Aufbaus der Sonne erstellen.

    Und meine Astro-AG ler der 5. Klassenstufe freuen sich jedes Mal, wenn ich mit ihnen zum Computerraum gehe und sie mit den vielen wunderschönen Applets und Programmen, die es zwischenzeitlich für Astronomie gibt (wie z.B. http://htwins.net/scale2 oder Stellarium) arbeiten lasse. So erhalten sie einen spielerischen Zugang zur Anwendung von Computerprogrammen.

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