Hlavním úkolem mise je pomoci zodpovědět některé z největších otázek moderní astrofyziky:
Na rozdíl od teleskopů zaměřených dlouhou dobu na jediný velmi slabý objekt je Romanová navržena jako rozsáhlý průzkumník oblohy. Díky velkým vzorkům bude snazší hledat vzácné objekty, krátkodobé jevy i nepatrné vzorce ve struktuře vesmíru — a následně je statisticky spolehlivě měřit.
Klíčovým přístrojem mise bude Wide Field Instrument (WFI), infračervená kamera s rozlišením 300 megapixelů. Její zorné pole bude nejméně stokrát větší než u Hubbleova teleskopu, přesto si zachová zobrazovací schopnosti s rozlišením pod jednu obloukovou sekundu. Jeden snímek pokryje plochu oblohy větší, než jakou na obloze zabírá úplněk.
Tato kombinace dává Romanové několik zásadních výhod:
NASA očekává, že Romanová během své mise změří světlo přibližně z miliardy galaxií. Za prvních pět let by měla vyprodukovat mimořádné množství dat — technické materiály NASA odhadují asi 11 terabitů denně a více než 20 petabajtů za prvních pět let provozu.
Plán pozorování kombinuje tři hlavní průzkumy připravené astronomickou komunitou s dalšími programy obecné astrofyziky. Jde o průzkum rozsáhlé oblasti ve vysokých galaktických šířkách, časový průzkum ve vysokých galaktických šířkách a časový průzkum galaktického centra.
Průzkum rozsáhlé oblasti spojí snímkování a spektroskopii na tisících čtverečních stupňů oblohy. Jeho hlavními cíli bude mapování rozmístění galaxií a měření tvarů vzdálených galaxií, stejná data ale poslouží také ke studiu těles Sluneční soustavy, struktury Mléčné dráhy, blízkých galaxií, kvasarů nebo vývoje galaxií až k období reionizace.
Pozorovací data Romanové mají být po zpracování veřejně dostupná bez období výhradního přístupu. K výsledkům se tak budou moci dostat různé výzkumné týmy a hledat v nich objevy i mimo hlavní cíle mise.
Romanová bude zkoumat temnou energii dvěma propojenými způsoby: měřením historie rozpínání vesmíru a sledováním toho, jak v čase rostla jeho struktura. NASA počítá s několika doplňujícími metodami, mimo jiné s měřením vzdáleností pomocí supernov, s určováním rudých posuvů galaxií a baryonových akustických oscilací a s pozorováním slabého gravitačního čočkování.
Slabé čočkování je důležité také pro výzkum temné hmoty. Gravitace hmoty mezi námi a vzdálenými galaxiemi nepatrně ohne jejich světlo a změní jejich zdánlivé tvary. Když astronomové změří podobné deformace napříč obrovskou plochou oblohy, mohou sestavit mapy veškeré hmoty — včetně temné hmoty, která sama světlo nevyzařuje ani neodráží způsobem, který bychom mohli přímo zachytit.
Porovnání rozpínání vesmíru s růstem jeho struktury umožní testovat různá vysvětlení kosmické akcelerace. Výsledky mohou ukázat, zda se temná energie chová podle očekávání, nebo zda bude nutné přehodnotit naše chápání gravitace či kosmologie.
Při časovém průzkumu galaktického centra bude Romanová opakovaně sledovat hustou oblast směrem ke středu Mléčné dráhy. Využije přitom gravitační mikročočkování: gravitace hvězdy v popředí na krátkou dobu zesílí světlo vzdálenější hvězdy, pokud se obě dostanou téměř do jedné přímky s pozorovatelem.
Pokud hvězdu v popředí obíhá planeta, může v tomto průběhu způsobit krátký dodatečný záblesk. Mikročočkování je cenné zejména pro hledání chladných planet, málo hmotných světů a volně putujících planet, které se obtížně odhalují metodami založenými na tranzitech nebo měření radiálních rychlostí.
Romanová ponese také Coronagraph Instrument. Ten nebude hlavním průzkumným fotoaparátem, ale technologickou demonstrací. Přístroj má potlačit oslnivé světlo mateřské hvězdy a otestovat přímé zobrazování starších planet velikosti Jupiteru u blízkých hvězd podobných Slunci. Získané zkušenosti mohou pomoci při vývoji budoucích observatoří schopných zobrazit menší, potenciálně i Zemi podobné planety.
WFI je hlavním vědeckým přístrojem observatoře. Bude provádět širokoúhlé infračervené snímkování a spektroskopii pomocí několika filtrů, mřížky grism a hranolu s nízkým rozlišením. Tyto schopnosti podpoří hlavní kosmologické programy, výzkum vývoje galaxií i průzkumy proměnných objektů a exoplanet pomocí mikročočkování.
Koronograf je určen k testování technologií pro přímé zobrazování s vysokým kontrastem. Jeho úkolem je ukázat, jak lze odstínit nebo potlačit světlo hvězdy, aby bylo možné zachytit mnohem slabší planetu v její blízkosti. Přestože jde o důležitý technologický krok, hlavní vědeckou předností Romanové zůstává panoramatický průzkum pomocí WFI.
Romanová nemá nahradit Hubbleův ani James Webbův vesmírný teleskop. Každá observatoř je optimalizována pro jiný typ pozorování:
NASA rozdíl shrnuje jednoduše: Romanová bude mapovat široké pásy oblohy, zatímco Hubble a Webb se zaměří na konkrétní objekty nebo oblasti. Velké mapy Romanové proto mohou sloužit jako objevná a kontextová vrstva, na kterou navážou detailní pozorování jiných observatoří.
Mezi nejvýraznější objevy Romanové mohou patřit nové exoplanety, přesnější měření temné energie a podrobnější mapy kosmické struktury. Její širší význam ale bude spočívat v propojení ostrého infračerveného zobrazování, spektroskopie, opakovaných pozorování a veřejně dostupných obrovských datových souborů.
Astronomové tak budou moci současně řešit největší otázky — jak se vesmír rozpíná a jak vzniká jeho struktura — i menší, ale neméně zajímavé problémy, od přeplněného středu Mléčné dráhy přes vzdálené galaxie až po dosud neznámé planetární soustavy.
Klíčovou inovací Romanové proto není jen schopnost vidět dál. Její skutečná síla spočívá v tom, že uvidí mnohem větší část oblohy najednou a promění vesmír v rozsáhlý průzkum, který lze studovat jako celek a jako populaci, nejen jako soubor jednotlivých objektů.