GALA ist eines der 10 Instrumente an Bord von JUICE mit dem die Topographie von Ganymed sowie durch Gezeiten verursachte Änderungen seiner Form (Gezeitenamplitude) hochgenau vermessen werden sollen. Das Instrument wird unter Leitung des DLR-Instituts für Planetenforschung in Kooperation mit deutscher Industrie und Instituten aus Japan, der Schweiz und Spanien entwickelt und gebaut. Im Rahmen von JUICE wird erstmalig Laser Altimetrie zur Erforschung der Eismonde eingesetzt. Hierdurch sind grundlegende neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu erwarten. Die wissenschaftlichen Ziele GALA’s können wie folgt zusammengefasst werden:
Die wissenschaftliche Bedeutung dieser einzelnen Punkte soll im Folgenden kurz in ihrem jeweiligen Kontext und in Bezug auf die Ziele von JUICE dargestellt werden.
Referenzsysteme, globale Form und Rotationszustand
Die genaue Vermessung der Oberfläche von Ganymed und seines Rotationszustandes ist grundlegend für die Erstellung eines geodätischen Referenzsystems. Dies ist für die Einordnung sämtlicher anderer Messungen unerlässlich. Hier leistet die Laser-Altimetrie in Kombination mit den Kameradaten entscheidende Beiträge. Ein genaues Referenzsystem ist insbesondere Voraussetzung für die Messung der periodischen Verformung durch Gezeiten und die Messung des Rotationszustandes (z.B. physikalische Librationen). Beide Messungen können Aufschluss über die Existenz eines globalen Wasserozeans in der Tiefe geben. Die globale Form Ganymeds erlaubt ebenfalls Rückschlüsse auf den inneren Zustand und damit auf die langzeitliche Entwicklung.
Topographie
Um das Gravitationsfeld Ganymeds, welches durch Doppler-Tracking vermessen wird, zu bestimmen, ist die Kenntnis der Topographie erforderlich. Aus Vergleich des Schwerefeldes und der Topographie lässt sich bestimmen, inwieweit beispielsweise Höhenverteilungen in der Eisschicht isostatisch kompensiert sind. Zusätzlich können Untersuchungen zu Kreuzungspunkten („cross-over points“ ) von Altimeterspuren zu einer besseren Bestimmung der Position der Raumsonde im Orbit und damit zu einer verbesserten Kenntnis des Gravitationsfeldes beitragen. Topographische Höhenmodelle, sowohl global als auch regional und lokal sind zudem unverzichtbare Datensätze für die Geologie. Hier wird insbesondere die Kombination aus Laser-Altimeter, Kamera, Spektrometer und Radar, welches mehrere Kilometer in die Eisschicht eindringen kann, neue Einblicke in die Entwicklung Ganymeds aber auch Europas und Kallistos liefern.
GALA besteht aus zwei Elektronikeinheiten und einem optischen Teil, der den Laser und das Teleskop für den Empfänger enthält. Bei den Messungen werden Laserpulse 30- bis 50-mal pro Sekunde aus 500 Kilometer Höhe im nahen Infrarot zur Oberfläche Ganymeds gesandt. Ein hochempfindlicher Detektor zeichnet die reflektierten Pulse auf. Weil GALA die Lichtlaufzeit auf weniger als eine Nanosekunde genau messen kann, lässt sich die Position und Ausrichtung der Raumsonde sehr genau bestimmen und so Ganymeds Oberfläche optisch präzise abtasten. Aus den Daten entsteht ein globales Höhenmodell.
Oben: GALA Laser Electronics Unit, Unten: GALA Electronics Unit
Die Deformation der Oberflächen der Monde durch von Jupiter verursachte Gezeitenkräfte hängt stark von der Anwesenheit eines inneren Ozeans ab. Die Amplituden der Verformung durch Gezeiten sind wesentlich größer, wenn die äußere Eisschicht nicht fest mit dem Inneren verbunden ist sondern sich nahezu frei auf einer globalen Wasserschicht bewegen kann. Die zu erwartenden Amplituden im Falle eines vorhandenen Ozeans liegen bei Ganymed bei bis zu 7 m. Dieses liegt deutlich über der Messgenauigkeit von Laser-Altimetern, die in der Größenordnung von etwa 10 cm liegt. Die Gezeitenamplituden für den Fall, dass kein Ozean vorhanden ist, liegen bei Ganymed in der Größenordnung von 10 cm. Durch diesen signifikanten Unterschied kann ein Ozean indirekt nachgewiesen werden. In Kombination mit anderen Messungen, insbesondere Gravitationsfeld- und Magnetfeldmessungen können Eigenschaften, wie z.B. die Tiefenlage des Ozeans, abgeleitet werden.
Die geologischen Prozesse auf den Galileischen Monden sind extrem vielfältig. Die Oberflächen von Ganymed und Europa sind durch komplexe Prozesse geprägt, die auf tektonischer Aktivität aber auch auf Kryovulkanismus beruhen. Das Vorhandensein flüssigen Wassers mag diese Prozesse unterstützt haben. Welche Rolle die Prozesse in der Entwicklung Ganymeds gespielt haben, ist noch ungeklärt. Aus Höhenprofilen des Laser-Altimeters können wichtige Informationen über die Entstehungsprozesse gewonnen werden, z.B. kryovulkanisch geprägte Oberflächen sind glatter als tektonisch geprägte und oft tiefer liegend als die Umgebung. Aus Höhenprofilen speziell von Dehnungsstrukturen lassen sich Rückschlüsse auf den thermischen Zustand zur Zeit der Entstehung ziehen. Ebenso gibt die Morphologie von Einschlagskratern wichtige Hinweise auf die thermische Entwicklung Ganymeds (Relaxationsprozesse).
Kallistos Oberfläche ist neben Einschlagkratern hauptsächlich durch Erosionsprozesse (Bombardement durch Mikrometeoriten, Strahlung und einfallende Partikel) geprägt. Im Vergleich der drei sehr verschiedenen Eisoberflächen von Europa, Ganymed und Kallisto können im Rahmen von JUICE wichtige Rückschlüsse auf die Evolution der einzelnen Monde und der Entwicklung des Jupitersystems insgesamt gezogen werden.
Die Analyse des Profils der reflektierten Laserpulse liefert Informationen über Eigenschaften der Oberfläche wie Hangneigungen und Rauigkeit. Hiermit lassen sich die verschiedenen geologischen Strukturen und Einheiten zusätzlich charakterisieren. Dabei sind vor allem Korrelationen von Rauigkeit oder Albedo mit geologischen Strukturen von Interesse.
JUICE ist eine Mission der ESA, die 2012 im Rahmen des Cosmic Vision Programms als erste L-class Mission (L steht für ‚large‘) ausgewählt wurde. Ziel ist es, Jupiter, seine Monde und seine Magnetosphäre zu erforschen. Insbesondere der Jupitermond Ganymed wird detailliert untersucht. JUICE ist damit die erste Mission überhaupt, die in eine Umlaufbahn um einen Mond eines anderen Planeten einschwenkt. Geplanter Start ist im April 2023 mit einer ARIANE 5 ECA Trägerrakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou.
Missionsprofil: Die Flugzeit wird bis zum Erreichen des Jupitersystems etwa 7,4 Jahre betragen. Dabei werden zunächst Vorbeiflüge an Erde und Mars genutzt, um die Flugzeit zu minimieren und Treibstoff zu sparen. Durch diese sogenannten ‚gravity assists‘ an den Planeten Erde und Venus erhält die Raumsonde zusätzliche Beschleunigung, bevor sie sich auf die lange Reise ins äußere Sonnensystem begibt. Jupiter ist mit einer Distanz von 5,2 astronomischen Einheiten etwa fünfmal so weit von der Sonne entfernt wie die Erde. Damit liegen die Verzögerungen durch die Lichtlaufzeit zwischen den Bodenstationen und der Raumsonde bei der Übertragung von Telekommandos und Daten je nach Position der beiden Planeten zwischen 33 und 52 Minuten. Nach Einschwenken in eine Umlaufbahn 2031 um Jupiter befindet sich die Raumsonde auf einem langgestreckten elliptischen Orbit. Durch Steuermanöver und Vorbeiflüge an den Galileischen Monden wird die Exzentrizität der Bahn abgebaut. Die zahlreichen Vorbeiflüge sind auch wissenschaftlich von Interesse, dabei insbesondere zwei geplante Vorbeiflüge an Europa. Nach etwa 3 Jahren im Jupiterorbit, in denen die Jupiteratmosphäre und die Jupitermagnetosphäre detailliert untersucht werden, wird die Raumsonde in eine polare elliptische Umlaufbahn um Ganymed einschwenken. Die geringste Entfernung (Perizentrum) zu Ganymed wird 500 km betragen (gemessen von Ganymeds Oberfläche); die weiteste Entfernung (Apozentrum) wird in 10000 km Höhe liegen. Dieser Orbit ist ideal, um Ganymeds Magnetosphäre und deren Wechselwirkung mit Jupiters Magnetosphäre zu erforschen. Durch gravitative Störungen Jupiters auf die Raumsonde wird sich der Orbit in natürlicher Weise, also ohne zusätzlichen Verbrauch von Treibstoff, in einen kreisförmigen Orbit in 5000 km Höhe entwickeln. Diese Missionsphase ist ideal um Ganymed durch die Kamera und Spektrometer global zu kartieren. Wiederum durch Störungen Jupiters stellt sich erneut ein elliptischer 500 x 10000 km Orbit ein. Bei Durchlaufen des Perizentrums ist dann ein Steuermanöver erforderlich, um die Raumsonde auf einen kreisförmigen Orbit in 500 km Höhe zu bringen. Dieser Orbit dient zur Charakterisierung der Eisschicht mit Hilfe von Laser Altimetrie und dem Sub-Surface Radar, welches Strukturen der Eisschicht in mehreren km Tiefe aufnehmen kann. Auch Gravitationsfeldmessungen, Charakterisierung der Exosphäre Ganymeds, Magnetfeldmessungen und zielgerichtete Beobachtungen von geologischen Einheiten und Strukturen in höchster Auflösung durch Kamera und Spektrometer finden in dieser Phase statt. Die nominale Mission endet nach 132 Tagen im 500-km Orbit. Falls es die Ressourcen erlauben, die Mission zu verlängern (extended mission), wäre ein erneutes Absenken der Umlaufbahn auf etwa 200 km denkbar.
Instrumente: An Bord der Raumsonde befinden sich 10 Instrumente, die 2013 von der ESA ausgewählt wurden. Zusätzlich werden VLBI (Very Large Baseline Interferometry) Beobachtungen von der Erde aus wissenschaftlich ausgewertet.