Na de lancering reist Roman naar een baan nabij het zon-aarde-L2-punt. Dat punt ligt ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de aarde, aan de kant die van de zon is afgekeerd. Vanuit deze positie kan de telescoop onder stabiele omstandigheden grote delen van de hemel afspeuren en infraroodwaarnemingen uitvoeren.
De missie richt zich op enkele van de grootste open vragen in de moderne sterrenkunde:
Roman is niet ontworpen om jarenlang op één extreem zwak object te worden gericht. De telescoop moet juist grote gebieden snel en consequent onderzoeken. Daardoor stijgt de kans dat astronomen zeldzame objecten, kortstondige gebeurtenissen en subtiele patronen in de structuur van het heelal vinden. Grote steekproeven maken het bovendien mogelijk om zulke signalen betrouwbaarder te meten.
Het belangrijkste instrument aan boord is het Wide Field Instrument (WFI): een infraroodcamera met 300 megapixels en een beeldveld dat minstens honderd keer groter is dan dat van Hubble. Elke opname bestrijkt een hemelgebied dat groter is dan de schijnbare omvang van de volle maan, terwijl de beeldscherpte onder één boogseconde blijft.
Die combinatie geeft Roman een eigen rol binnen de ruimteastronomie:
NASA verwacht dat Roman tijdens zijn missie licht van ongeveer een miljard sterrenstelsels kan meten. In de eerste vijf jaar zou de telescoop dagelijks ongeveer 11 terabit aan gegevens verzamelen, goed voor meer dan 20 petabyte aan data in die periode.
Het geplande observatieprogramma bestaat uit drie centrale onderzoeken, aangevuld met andere programma’s voor algemene astrofysica. Het gaat om de High-Latitude Wide-Area Survey, de High-Latitude Time-Domain Survey en de Galactic Bulge Time-Domain Survey.
De brede survey combineert beeldvorming en spectroscopie over duizenden vierkante graden. Het belangrijkste doel is het bestuderen van de uitdijing van het heelal en de verdeling van sterrenstelsels. Dezelfde gegevens kunnen echter ook worden gebruikt voor onderzoek naar objecten in ons zonnestelsel, de structuur van de Melkweg, nabije sterrenstelsels, quasars en de evolutie van sterrenstelsels tot aan het tijdperk van de reïonisatie.
De waarnemingen van Roman moeten openbaar beschikbaar komen zonder een exclusieve toegangsperiode. Daardoor kunnen veel onderzoeksteams de gegevens analyseren en nieuwe vragen onderzoeken die verder gaan dan de hoofddoelen van de missie.
Roman gaat donkere energie bestuderen door twee zaken met elkaar te vergelijken: hoe snel het heelal uitdijt en hoe kosmische structuren in de loop van de tijd groeien. NASA noemt daarvoor verschillende complementaire technieken, waaronder afstandsmetingen met supernova’s, roodverschuivingen van sterrenstelsels, baryonische akoestische oscillaties en zwakke zwaartekrachtlenswerking.
Zwakke lenswerking is vooral belangrijk voor onderzoek naar donkere materie. De zwaartekracht van materie tussen ons en een ver sterrenstelsel buigt het licht daarvan heel licht af. Daardoor verandert de schijnbare vorm van dat sterrenstelsel. Door zulke samenhangende vervormingen over een groot hemelgebied te meten, kunnen astronomen kaarten maken van alle materie — ook van donkere materie, die zelf geen waarneembaar licht uitzendt of weerkaatst.
Door de geschiedenis van de uitdijing te vergelijken met de groei van kosmische structuren, kunnen wetenschappers verschillende verklaringen voor de versnelde uitdijing toetsen. De uitkomst kan laten zien of donkere energie zich gedraagt zoals verwacht, of dat ons begrip van zwaartekracht en kosmologie moet worden aangepast.
Voor het onderzoek naar exoplaneten zal Roman herhaaldelijk een dichtbevolkt gebied in de richting van het centrum van de Melkweg observeren. Daarbij gebruikt de telescoop zwaartekrachtmicrolensing. Dat effect ontstaat wanneer de zwaartekracht van een voorgrondster het licht van een verder weg gelegen achtergrondster tijdelijk versterkt.
Als de voorgrondster een planeet heeft, kan die planeet een korte extra verandering in het lichtsignaal veroorzaken. Microlensing is bijzonder geschikt om koude planeten, lichte planeten en zelfs vrij rondzwervende planeten te vinden. Zulke werelden zijn vaak moeilijk te detecteren met methoden die gebruikmaken van planeetovergangen of de kleine schommelingen van een ster.
Roman krijgt daarnaast een Coronagraph Instrument. Dat is geen tweede surveycamera, maar een technologiedemonstratie. Het instrument moet het felle licht van een ster onderdrukken, zodat astronomen kunnen testen of volwassen planeten ter grootte van Jupiter rechtstreeks in beeld kunnen worden gebracht naast nabije zonachtige sterren. De technologie kan bijdragen aan toekomstige ruimtemissies die kleinere, mogelijk aardachtige planeten rechtstreeks willen fotograferen.
Het WFI is het belangrijkste wetenschappelijke instrument van Roman. Het maakt brede infraroodopnamen en voert spectroscopie uit met verschillende filters, een grism en een prisma met lage resolutie. Daarmee ondersteunt het de belangrijkste kosmologische onderzoeken, studies naar de evolutie van sterrenstelsels en microlensing-onderzoek naar exoplaneten.
Het Coronagraph Instrument richt zich op beeldvorming met een zeer hoog contrast. Het moet technieken demonstreren om sterlicht af te schermen of te onderdrukken, zodat veel zwakkere planeten naast hun moederster zichtbaar kunnen worden. De coronagraaf is technologisch belangrijk, maar de onderscheidende wetenschappelijke kracht van Roman blijft het panoramische surveyvermogen van het WFI.
Roman is niet bedoeld als vervanger van Hubble of de James Webb Space Telescope. De drie observatoria zijn ontworpen voor verschillende soorten waarnemingen:
NASA vat het verschil eenvoudig samen: Roman brengt brede hemelgebieden in kaart, terwijl Hubble en Webb zich richten op specifieke objecten of kleinere regio’s. De grote kaarten van Roman kunnen zo dienen als ontdekkings- en contextlaag, waarna andere telescopen de interessantste doelen nader onderzoeken.
De opvallendste ontdekkingen van Roman kunnen nieuwe planeten, nauwkeurigere metingen van donkere energie en gedetailleerde kaarten van kosmische structuren omvatten. De bredere betekenis van de missie ligt echter in de combinatie van scherpe infraroodbeelden, spectroscopie, herhaalde waarnemingen en vrij toegankelijke datasets.
Daarmee kunnen astronomen zowel de grootste vragen — hoe het heelal uitdijt en hoe structuren ontstaan — als veel kleinere vraagstukken onderzoeken. Denk aan het dichtbevolkte centrum van de Melkweg, verre sterrenstelsels en nog onbekende planetenstelsels.
Roman gaat dus niet alleen verder kijken. De telescoop gaat vooral veel meer van de hemel tegelijk bekijken. Zo verandert het heelal van een verzameling afzonderlijke objecten in een enorme dataset waarin populaties, patronen en zeldzame uitzonderingen zichtbaar worden.