Winter Term 2025/2026

Content

Diese Vorlesung ist der erste Teil des WP Astro Moduls "Einführung in die Astronomie und Astrophysik", das aus 2 Semestern Vorlesung mit Übungen besteht, und einem Praktikum.

Es geht um das physikalische Verständnis unseres Universum jenseits der Erde: 
-- wie erforscht man das Universum?
-- wie kommt man von Beobachtungen zu einem physikalischen Verständnis?
-- Was sind die grundlegenden Erkentnisse, vom Sonnensystem zum Urknall?

Im ersten Semester (WS) werden folgende Themenkreise behandeln:
— eine kurze Reise durch den Kosmos: erster Überblick
— Astronomische Grundlagen : astronomische Beobachtung;
     elektromagnetische Strahlung; Entfernungsmessung; Sonnensystem 
— Physik der Sterne: Sternaufbau und Energieerzeugung
— Phasen der Sternentwicklung: von der Geburt bis zu weissen Zwergen und schwarzen Löchern
— Physik des interstellaren Mediums: Gas und Staub

Homepage: https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/vorlesung/20252/2095

Goal

-- Sicht auf Astronomie als Teilgebiet der Physik -- Verständnis astronomischer Methoden und Schlussweisen -- Grundlagenkenntnis von Methoden, Planeten, Sternen und interstellarem Gas

Content

In this astrophysics lecture we cover the theoretical concepts of how planets and planetary systems are thought to form. This includes the planets in our solar system as well as exoplanets. The journey starts with the formation of a star, surrounded by a disk of gas and cosmic dust: the protoplanetary disk. This disk is the environment in which (and contains the matter from which) planets form. We will therefore discuss in quite some depth the structure, dynamics, thermodynamics and chemistry of these disks, including radiative transfer, hydrodynamics, magnetohydrodynamics, etc. And we will discuss the wealth of observations of these disks that have been obtained, in particular in the last decade, with the VLT and Subaru telescopes, with ALMA, and with several space-borne telescopes such as JWST. We will then move on to discuss the richness of physical phenomena that underpin the long journey from micrometer-sized dust (=rock) particles all the way to many-thousand kilometer sized planets. These include, among other things: gas turbulence, dust particle drift, coagulation and fragmentation of dust aggregates, formation of planetesimals through streaming instability, restricted three-body problem, dynamical friction, pebble accretion, planetary migration, planetary collisions, N-body dynamics, gas accretion, (pebble-)isolation mass, planetary interiors, equations of state at high pressures and temperatures, phase diagrams of rocks, magma oceans, clues from the Solar system (meteoritic evidence, planetary orbits, etc), and many more.

Goal

After this course you will have an overview of the research field of planet formation, including the basics and the currently 'big open questions' in the field.

Course Information

Content

This course provides a firm understanding of the theoretical concepts
of astrophysics, together with their assumptions and limitations. Topics covered include:
-- Hydrodynamics: Basics and equations of motion; ideal and viscous fluids and currents; sound waves, supersonic currents and shock waves; instabilities, convection and turbulence
-- Plasma physics: Basics of collision-less plasmas; dielectric tensor; dispersion relation, longitudinal waves and Landau damping; magnetohydrodynamic equations; waves in magnetized plasmas; hydrodynamic waves
-- Radiative processes: Macroscopic radiation measurements; emission, absorption and scattering, radiative transfer; Bremsstrahlung and synchrotron radiation; ionization and recombination; spectra
-- Stellar dynamics: Relaxation; Jeans equations and Jeans theorem; tensor-virial theorem; equilibrium and stability of self-gravitating systems; dynamical friction; Fokker-Planck approximation

Goal

Upon completion of the lecture, students are able to apply this knowledge to a wide range of different areas of modern astrophysics and can solve complex problems in this field. They are familiar with concepts from different areas of theoretical physics relevant for astrophysics and they can apply mathematical techniques for solving questions arising in astrophysical situations.

Content

The lectures will introduce the foundations of modern cosmology. Topics include the basics of General Relativity, the modeling of a homogeneous and isotropic universe, dark matter, the cosmological constant and dark energy, cosmic inflation, and the thermal history of the universe, including cosmological nucleosynthesis and the cosmic microwave background. We will also study cosmic structure formation in both the linear and non-linear regimes. After establishing the theoretical framework, the course will explore the key observational evidence that underpins our current understanding of the universe.
Webpage: https://uebungen.physik.uni-heidelberg.de/vorlesung/20252/2105

Content

Observational methods using photons (from gamma rays to radio), gravitational waves, other particles, and in-situ exploration.  
MVAstro1 ("Astronomical Techniques (compact)") consists of lectures, exercises, and a lab course.  See Master Module Manual for details.

Course Information

Content

The lecture is equivalent to the bachelor module parts WPAstro.1+2 during the winter and summer terms but requires a slightly higher level of basic physical knowledge. 


Nevertheless also motivated 3rd semester BSc students are welcome to participate. 
This lecture is organised as a block course with 2 parts from Sep. 22 - Oct. 19th, 2024. 

Certificates are only given for active participation in the exercises (meaning also being present at all exercises) and passing the written examination.

Homework should/can be done in groups of 2(3)

Bachelor students

You can choose:

WPAstro.1,2:
- 8CP with marks (lab course needed for complete module)
- The written examination will be graded
- Marks count for the full 10CP including the lab course

MVAstro0:
- 8CP, no marks as a master module in the ‘Wahlbereich’
-
Master students (MVAstro0)
- 8CP, no marks - only passed
- Can be used as part of MVMod (specialisation in Astrophysics)
- Can be used as an option: just 8CP

PhD (including IMPRS)
Active participation in exercises is strongly recommended, and a successful written exam for certificate

More info on the rules for studying astronomy in Heidelberg: https://www.zah.uni-heidelberg.de/fileadmin/user_upload/downloads/Miscellaneous/Studyplan_Astro_English.pdf


Lecturers: Prof. Dr. Stefan Jordan, Dr. Markus Pössel

Lecture Introduction to Astronomy (V, block)
Time: daily 9:30 - 13:00, 22.09. - 10.10.2024 (1 free day on October 3)
Location: gHS (großer Hörsaal at Phil.12, 2nd floor) 

Exercises to Introduction to Astronomy 
Time: daily 14:30 - 16:00 (group 1), 16:00-17:30 (group 2)
Location: Neuer Hörsaal (at Phil.12)


Content
22.9.  Introduction/Fundamentals of Astronomy: Jordan
23.9.  Fundamentals 2: Jordan
24.9.  Sun and Planetary System 1: Jordan
25.9.  Sun an Planetary System 2: Jordan
26.9.  Telescopes and Instruments: Jordan
29.9.  Radiation and stars: Jordan
30.9.  Stellar evolution: Jordan
1.10.  Introduction; Expanding Universes 1: Pössel
2.10.  Expanding Universes 2; Big Bang Phase: Pössel
6.10.  Structure Formation; Basic Galaxy Properties: Pössel
7.10.  Galaxy Spectra; Stellar Motion in Galaxies 1: Pössel
8.10.  Stellar Motions in Galaxies 2; Star Formation in Galaxies; The Milky Way: Pössel
9.10. Central Black Holes; Active Galaxies; Gravitational Lensing: Pössel
10.10. Galaxy Groups and Clusters; Milky Way Archaeology; Galaxy Evolution: Pössel
TBD:  Written exam

Content

See Master Module Manual.  The block course consists of lectures, exercises, a seminar, and a written exam at the end.

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From binaries to Dwarf galaxies and everything in between: Binaries; Star clusters: chemical elements & their formation; dynamics & structure; dwarf galaxies: chemical evolution & Dark Matter; different flavours of star clusters and dwarf galaxies.

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As most of the radiation we receive from galaxies is star light, we can use it to measure and study their properties. These lectures aim at showing how much we can learn about galaxy evolution from the study of stellar populations in galaxies (young to old stellar clusters, field stars, resolved and integrated stellar populations). We will review the methods commonly used in this respect, all resting on our understanding of stellar evolution, and discuss the results obtained when we apply them to observational data, such as multi-wavelength photometry and spectroscopy.

Content

C1: - Basic properties of fluids and plasmas in astrophysics
	Ideal versus dissipative fluids
	Euler and the Navier-Stokes equations
	Compressible, weakly compressible and incompressible fluid flows
	Magnetohydrodynamics
C2: Numerical methods in hydrodynamics
	The equations in the finite space
	Conditionally versus unconditionally stable numerical schemes
Explicit & implicit formulation
	Preconditioning techniques and defect-correction iteration procedure

C3: Introduction to programming and computer-solving of simple      
       equations
C4: Introduction to General Relativity & Relativistic Cosmology
	Derivation of the relativistic & general relativistic Euler and Navier-Stokes equations
	Dynamics of the expanding univbbbberse
	Basic concepts in modern cosmology: 
Black holes, dark matter, dark energy, inflation
C5: Numerical aspects of relativistic Cosmology: UNIMOUN

Course Information

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Stellar structure, evolution and explosions, including practical tutorials based on the MESA stellar evolution code. 

In the first half of the term, teaching will be via classical blackboard-style lectures that lay the foundation of stellar evolution. In contrast to classical lectures on stellar astrophysics, the second half is a practical course where students employ the stellar evolution code MESA to study the evolution and final fates of low-, intermediate- and high-mass stars. This allows us to follow the evolution of stars interactively, enabling us to investigate stellar structures in great detail. For the practical part, a laptop is required (all operating systems are supported). 

All course materials will be provided online.

Content

Introduction to the dynamics of systems dominated by gravity (from planetary systems to galaxies) and their numerical treatment.

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In this class, we will discuss the basics of asteroseismology. After some more theoretical introduction, each student will analyse a star for its asteroseismic signal and deduce stellar parameters. We end with a journal club.

Course Information

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This is a five day block course with lectures in the morning and practical hands-on exercises in the afternoon. We will learn the basic technique to use GPU (graphical processing units, graphics cards) for numerical accelerated computing at the example of CUDA - an extension of the C programming language, which is used for the NVIDIA GPU accelerated supercomputer to be used in our course. More general approaches for other systems will be discussed. Concepts of parallel programming are introduced. GPU accelerated parallel computing is a technique, which is now widely used in computational physics and astrophysics. Many supercomputers of EuroHPC Petascale systems use GPU.
Topics: Parallel Computing, GPU Hardware, Elements of CUDA Language, Data Transfer, Vector and Matrix Operations, Simple Application for N-Body Problem.

Content

- Lessons learned from gravitational wave sources.
- Compact object formation from stars and binary stars.
- Dynamics of compact objects in dense star clusters.
- Merger rate density evolution of binary compact objects across cosmic time.
- Observations and models of dormant compact objects.
- Numerical models of compact-object populations.

Goal

After completion of this course, the students will acquire state-of-the-art knowledge in the field of astrophysical compact objects. They will be aware of the main results of gravitational-wave observatories, and will have advanced knowledge of the formation channels of binary compact objects and dormant black holes. They will run some of the main scripts and codes to model compact object formation (population synthesis codes, direct N-body codes, semi-analytic codes, simplified LIGO-Virgo data analysis scripts).

Content

An introduction to fluid dynamics in an astrophysical context, with an emphasis on analytical results rather than numerical simulations.

Content

- Observable signatures of black holes and binaries thereof, calculations of predictions in GR
- Post-Newtonian approximation
- 3+1, Numerical Relativity
- Black Hole images with Very-Long baseline Interferometry (EHT): theory and data analysis
- Accreting black holes, GRMHD
- Bayesian Methods
- Simulated data generation and utilization: eht-imaging, PyCBC, Bilby, Themis

Content

Der dreiwöchige Blockkurs zur Einführung in die Astronomie (PASTRO) für Lehramtstudierende der Physik an Gymnasien an der Universität Heidelberg wird am Haus der Astronomie durchgeführt (zu erreichen mit den Buslinien 30 und 39 oder mit der Bergbahn). Er findet immer im Wintersemester in der vorlesungsfreien Zeit im Februar oder März jeweils von 9:30-12:30 Uhr statt. 

Behandelte Themen sind: Größenordnungen des Kosmos, Himmelsmechanik und Orientierung am Sternhimmel, Teleskoptechnik und Spektroskopie, das Sonnensystem, die Sonne, Sterne, Exoplaneten, die Milchstraße und andere Galaxien und Kosmologie.

Content

- Basic concepts of numerical simulations, continuous and discrete simulations
- Discretization or ordinary differential equations, integration schemes of different order
- N-Body problems, molecular dynamics, collisionless systems
- Discretization of partial differential equations
- Finite element and finite volume methods
- Lattice methods
- Adaptive mesh refinement and multi-grid methods
- Matrix solvers and FFT methods
- Monte Carlo methods, Markov Chains, applications in statistical physics

Goal

After completion of this module, the students are endowed with the capacity to identify and classify numerical problems. They have reached active understanding of applicable numerical methods and algorithms. They are able to solve basic physical problems with adequate numerical techniques and to recognize the range of validity of numerical solutions.

Content

Übungen am 70cm Teleskop der Landessternwarte Heidelberg.

Goal

Selbstständige Vorbereitung und Planung von astronomischen Beobachtungen. Eigenständige Durchführung von astronomischen Beobachtungen mit dem Teleskop.

Content

Von der Entstehung der Sonne, über die Entwickliung der Protoplanetaren Scheibe zu Planeten mit ihren Ringen und Satelliten, Exo-Planeten und die Frage der Bewohnbarkeit.

Content

Journal club and seminar on all issues related to galaxy evolution.

Content

The non-thermal radiation that we observe from astrophysical sources points to the presence of very energetic particles (electrons or protons) within these sources. This seminar aims to give insights into source characteristics and processes, facilitating efficient particle acceleration. A specific focus will be given to physical concepts and astrophysical contexts, including a discussion of selective highlight results.

Goal

This seminar aims to give insights into source characteristics and processes, facilitating efficient particle acceleration.

Content

Presentations of and discussions on new literature and research projects of the stellradynamics group at ARI

Content

Detection of Extrasolar Planets, including observing methods, data analysis and technical questions

Content

This seminar is meant to  deepen and focus on various aspects important in star formation across cosmic times, and it will be held in english.

Content

presentations and discussions on current research in the field of hot stars

Content

Astronomical and cosmological observations require the existence of dark matter in our universe. Today, Dark Matter is generally thought to have particle nature, where the dark matter particles have relatively long lifetimes, interact gravitationally and, possibly, also via the weak interaction.

In the Standard Model of particle physics, only neutrinos have the correct properties, but, due to their small mass, neutrinos can only account for a small fraction of the observed Dark Matter in our universe. In extended versions of the standard model sterile neutrinos, in particular keV-sterile neutrinos can contribute as warm dark matter candidates.

Light supersymmetric particles are an example for weakly interacting massive particles (WIMPs) which are candidates for cold darm matter. Other viable dark matter candidates are axions, which have been introduced to solve the strong CP-problem of QCD, or axion-like particles.

The seminar will address the astrophysical and cosmological evidences which led to the postulation of dark matter. It will discuss the most prominent dark matter candidates and the different direct and indirect methods to search for their existence. Particular emphasis is put on the determination of neutrino masses, the search for sterile neutrinos, WIMPS and axions.

Content

Durchführung von mehreren astrophysikalischen Versuchen je nach Kenntnisstand innerhalb einer Woche. Diese decken grosse Gebiete in der Astronomie ab. Dauer pro Versuch 1-1.5 Tage. Kein separates Protokoll oder Hausarbeit notwendig.

Goal

Selbstständige Bearbeitung experimenteller Fragestellungen. Kennenlernen und Vertiefung diverser astronomischer moderner Tools wie zB Datenreduktion, virtuelles Observatorium, Interpretation diagnostischer Diagramme.

Content

Durchführung von mehreren astrophysikalischen Versuchen je nach Kenntnisstand innerhalb einer Woche. Diese decken grosse Gebiete in der Astronomie ab. Dauer pro Versuch 1-1.5 Tage. Kein separates Protokoll oder Hausarbeit notwendig.

Goal

Selbstständige Bearbeitung experimenteller Fragestellungen. Kennenlernen und Vertiefung diverser astronomischer moderner Tools wie zB Datenreduktion, virtuelles Observatorium, Interpretation diagnostischer Diagramme.

Course Information

Die Beispiele im Kurs benutzen Physik der
ersten paar Semester.

There are some examples in the course that
are based on physics of the first few semesters.

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Dieser Kurs wurde von Dr. Thomas P. Robitaille entwickelt, der diesen Kurs viele Jahre lang an der Universität Heidelberg gehalten hat. Aufgrund der Beliebtheit dieses Kurses bieten wir nun mehrere Blockkurse parallel an. Dr. Robitaille hat eine andere Stelle angetreten, so dass dieser Kurs nun von anderen Lehrkräften gehalten wird.

Goal

Ziel dieses Kurses ist es, zu lernen, wie man die Python-Programmierung zur Lösung wissenschaftlicher Probleme einsetzt. Es handelt sich um einen interaktiven Learning-by-Doing-Kurs, der auf einer Reihe von Python-Notebooks basiert und zahlreiche Übungen enthält. Er richtet sich an Bachelor-Studenten.

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Dieser Kurs wurde von Dr. Thomas P. Robitaille entwickelt, der diesen Kurs viele Jahre lang an der Universität Heidelberg gehalten hat. Aufgrund der Beliebtheit dieses Kurses bieten wir nun mehrere Blockkurse parallel an. Dr. Robitaille hat eine andere Stelle angetreten, so dass dieser Kurs nun von anderen Lehrkräften gehalten wird.

Goal

Ziel dieses Kurses ist es, zu lernen, wie man die Python-Programmierung zur Lösung wissenschaftlicher Probleme einsetzt. Es handelt sich um einen interaktiven Learning-by-Doing-Kurs, der auf einer Reihe von Python-Notebooks basiert und zahlreiche Übungen enthält. Er richtet sich an Bachelor-Studenten.

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Dieser Kurs wurde von Dr. Thomas P. Robitaille entwickelt, der diesen Kurs viele Jahre lang an der Universität Heidelberg gehalten hat. Aufgrund der Beliebtheit dieses Kurses bieten wir nun mehrere Blockkurse parallel an. Dr. Robitaille hat eine andere Stelle angetreten, so dass dieser Kurs nun von anderen Lehrkräften gehalten wird.

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Ziel dieses Kurses ist es, zu lernen, wie man die Python-Programmierung zur Lösung wissenschaftlicher Probleme einsetzt. Es handelt sich um einen interaktiven Learning-by-Doing-Kurs, der auf einer Reihe von Python-Notebooks basiert und zahlreiche Übungen enthält. Er richtet sich an Bachelor-Studenten.

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Dieser Kurs wurde von Dr. Thomas P. Robitaille entwickelt, der diesen Kurs viele Jahre lang an der Universität Heidelberg gehalten hat. Aufgrund der Beliebtheit dieses Kurses bieten wir nun mehrere Blockkurse parallel an. Dr. Robitaille hat eine andere Stelle angetreten, so dass dieser Kurs nun von anderen Lehrkräften gehalten wird.

Goal

Ziel dieses Kurses ist es, zu lernen, wie man die Python-Programmierung zur Lösung wissenschaftlicher Probleme einsetzt. Es handelt sich um einen interaktiven Learning-by-Doing-Kurs, der auf einer Reihe von Python-Notebooks basiert und zahlreiche Übungen enthält. Er richtet sich an Bachelor-Studenten.

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Dieser Kurs wurde von Dr. Thomas P. Robitaille entwickelt, der diesen Kurs viele Jahre lang an der Universität Heidelberg gehalten hat. Aufgrund der Beliebtheit dieses Kurses bieten wir nun mehrere Blockkurse parallel an. Dr. Robitaille hat eine andere Stelle angetreten, so dass dieser Kurs nun von anderen Lehrkräften gehalten wird.

Goal

Ziel dieses Kurses ist es, zu lernen, wie man die Python-Programmierung zur Lösung wissenschaftlicher Probleme einsetzt. Es handelt sich um einen interaktiven Learning-by-Doing-Kurs, der auf einer Reihe von Python-Notebooks basiert und zahlreiche Übungen enthält. Er richtet sich an Bachelor-Studenten.

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Dieser Kurs wurde von Dr. Thomas P. Robitaille entwickelt, der diesen Kurs viele Jahre lang an der Universität Heidelberg gehalten hat. Aufgrund der Beliebtheit dieses Kurses bieten wir nun mehrere Blockkurse parallel an. Dr. Robitaille hat eine andere Stelle angetreten, so dass dieser Kurs nun von anderen Lehrkräften gehalten wird.

Goal

Ziel dieses Kurses ist es, zu lernen, wie man die Python-Programmierung zur Lösung wissenschaftlicher Probleme einsetzt. Es handelt sich um einen interaktiven Learning-by-Doing-Kurs, der auf einer Reihe von Python-Notebooks basiert und zahlreiche Übungen enthält. Er richtet sich an Bachelor-Studenten.

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Dieser Kurs wurde von Dr. Thomas P. Robitaille entwickelt, der diesen Kurs viele Jahre lang an der Universität Heidelberg gehalten hat. Aufgrund der Beliebtheit dieses Kurses bieten wir nun mehrere Blockkurse parallel an. Dr. Robitaille hat eine andere Stelle angetreten, so dass dieser Kurs nun von anderen Lehrkräften gehalten wird.

Goal

Ziel dieses Kurses ist es, zu lernen, wie man die Python-Programmierung zur Lösung wissenschaftlicher Probleme einsetzt. Es handelt sich um einen interaktiven Learning-by-Doing-Kurs, der auf einer Reihe von Python-Notebooks basiert und zahlreiche Übungen enthält. Er richtet sich an Bachelor-Studenten.

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Colloquium talks on current research in astronomy.

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Wissenschaftliches Schreiben ist ein wesentlicher Bestandteil der Forschungsarbeit: Ergebnisse sollen klar und verständlich, dabei knapp und auf das Wesentliche konzentriert sein.

In dieser Arbeitsgemeinschaft werden Grundlagen des wissenschaftlichen Schreibens vermittelt, die anhand eines selbst verfassten Textes geübt und umgesetzt werden. Das Ziel des Seminars ist ein fertiger Artikel, der in der Studierendenzeitschrift Phoebe (https://phoebe.pubpub.org/) veröffentlicht wird. Das Thema dieses Artikels kann          innerhalb des Themenbereichs Quantenphysik frei gewählt werden. Seine Grundlage soll eine wissenschaftliche Fragestellung sein, die aus theoretischer und/oder experimenteller Sicht behandelt wird.

Abhängig von der Anzahl der Studierenden im Seminar können die Artikel alleine oder zu mehreren geschrieben werden. Es werden nur Artikel benotet, die am Ende des Seminars in der Studierendenzeitschrift Phoebe veröffentlicht werden.

Goal

Lernziel ist die Fähigkeit, einen kurzen, verständlichen wissenschaftlichen Artikel zu schreiben und in der Vorbereitung dazu die wesentlichen Merkmale wissenschaftlichen Schreibens zu verstehen.