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Ab 1847 besuchte Foerster das Magdalenen-Gymnasium in Breslau. Von 1850 bis 1854 studierte er Mathematik, Physik, Kunstgeschichte und später Astronomie an der Universität Bonn unter Friedrich Wilhelm August Argelander.
Von 1855 an arbeitete er als zweiter Assistent von Johann Franz Encke, dem damaligen Direktor der Berliner Sternwarte.
Zusammen mit Oskar Lesser entdeckte er 1860 den Asteroiden (62) Erato.
1858 habilitierte er an der Berliner Universität und wurde 1863 zu dem außerordentlichen Professor berufen. Nach Encke´s Tod übernahm er in dem Jahre 1865 das Amt des Direktors, das er bis 1903 inne hatte.
Eine seiner ersten Aufgaben als Direktor war die Erneuerung und Modernisierung des Instrumentariums. So wurde der Fraunhofer-Refraktor, mit dem Johann Gottfried Galle in dem Jahre 1846 den Planeten Neptun entdeckt hatte, überarbeitet und ein 7" Meridian-Teleskop in Auftrag gegeben und aufgestellt.
Zu seinen weiteren Aufgaben gehörte die Organisation des Zeitdienstes, die genaue Gradmessung (Längen- und Breitengrade) und die Überwachung des Erdmagnetismus.
Foerster ließ die Uhr der Sternwarte mit elektrischen Kontakten versehen und sandte mittels Kabel genaue Zeitsignale zur Berliner Zentraltelegrafenstation.
1871 veröffentlichte er eine Denkschrift zur Errichtung eines Observatoriums zur Beoabchtung der Sonne. Dies gab den Anstoß zur Gründung des Astrophysikalischen Observatoriums und später zur Errichtung des Einsteinturmes in Potsdam.
1874 gründete er das Astronomische Recheninstitut, das u.a. die Bahnen einer Vielzahl von Kleinplaneten (Asteroiden) berechnete.
Im Jahre 1875 erfolgte seine Berufung zu dem ordentlichen Professor.
Foerster wurdeins internationale Komitee zur Einführung des metrischen Systems gewählt und zu dem Direktor der Normal-Eichungs-Kommission des Norddeutschen Bundes ernannt. Das metrische System war 1870 beim Norddeutschen Bund eingeführt worden. Aufgabe der Kommission war die Überwachung des Maß- und Gewichtswesens.
Zusammen mit Werner von Siemens und Max Wilhelm Meyer gründete Foerster 1888 die astronomische Gesellschaft Urania.
Von 1891 bis 1920 war er Präsident des Internationalen Komitees für Maße und Gewichte.
Foerster war Mitglied der Deutschen Gesellschaft für ethische Kultur (in der Albert Einstein ebenfalls Mitglied war) und der Deutschen Friedensgesellschaft. Foerster war ein Gegner des vor dem Ausbruch des Ersten Weltkrieges herrschenden Nationalismus.
Sein Sohn war der Philosoph und Pazifist Friedrich Wilhelm Foerster (1869-1966), ein Gegner des Nationalsozialismus.
Zum Gedenken an W. Foerster wurden die Wilhelm-Foerster-Sternwarte in Berlin und der Asteroid (6771) Foerster benannt.
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