NOVA's wetenschappelijke programma is gebaseerd op drie hoofdthema's, die uitgevoerd worden in internationale netwerken. De drie zwaartepunten van het onderzoek zijn:
Netwerk 1:
Ontstaan en evolutie van sterrenstelsels: van oerknal tot heden
Sterrenstelsels vormen de bouwstenen van het heelal. Het zijn verzamelingen van vele miljarden sterren met ijle gas- en stofwolken ertussen. Alleen de ruimte tussen de sterrenstelsels is bijna helemaal leeg. Het sterrenstelsel waarin wij zelf huizen is de Melkweg; onze naaste buur is de spectaculaire Andromedanevel, op ruim 2 miljoen lichtjaar afstand. We weten dat de eerste sterrenstelsels relatief snel na de oerknal, in minder dan een miljard jaar, gevormd zijn. Modellen van het jonge heelal hebben nog grote moeite om dit proces te verklaren. NOVA-onderzoekers zullen met de modernste telescopen ook de allerjongste sterrenstelsels kunnen bestuderen, want omdat de lichtsnelheid eindig is, betekent 'diep de ruimte in kijken' automatisch ook 'terug in de tijd kijken' . Zo hopen ze onder meer te ontdekken wanneer de eerste sterren ontstonden, hoe de sterrenstelsels aan hun uiteenlopende vormen komen, en wat de rol is van de gigantische zwarte gaten in hun kern.
Netwerk 2:
Vorming en evolutie van sterren en planeten
Sterren zijn de chemische fabrieken van het heelal. Voordat de eerste sterren ontvlamden, bestond vrijwel alle materie uit waterstof- en heliumgas. Kernreacties in sterren zorgen niet alleen voor warmte en licht in het heelal, maar transformeren waterstof en helium ook tot zwaardere chemische elementen, zoals koolstof, zuurstof en ijzer. Op het eind van z'n leven, als de ster z'n buitenste lagen afstoot, komen die zware elementen vrij en verrijken het gas in de interstellaire ruimte. Pas wanneer een ster van de volgende generatie zich vormt uit zo'n verrijkte gaswolk, kunnen rond die ster ook vaste planeten, en daarop eventueel leven, ontstaan. Vandaar dat wij letterlijk 'van sterrenstof gemaakt zijn'. NOVA-onderzoekers willen exact uitvinden hoe gas, stof en sterren in de ruimte op elkaar inwerken. Dat onderzoek gebeurt door waarnemingen met zowel telescopen als satellieten. Om deze waarnemingen te begrijpen ontwikkelt men binnen NOVA theoretische modellen, en in een laboratorium worden chemische processen in de ruimte nagebootst.
Netwerk 3:
Extreme astrofysica in de ruimte
In het heelal heersen omstandigheden die veel extremer zijn dan zelfs in de beste en duurste experimenten op aarde kan worden nagebootst. Sterren als de zon eindigen hun leven als een witte dwerg. Zware sterren komen aan hun eind in een supernova-explosie. Het restant van de ster blijft achter als neutronenster of zwart gat. Dit zijn exotische objecten waarin materie zo extreem is samengeperst dat ruimte en tijd zelf er bijna onder bezwijken. Juist daarom zijn ze interessant: kloppen de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie over zulke objecten? Vangen we misschien een glimp op van compleet nieuwe natuurwetten? De extreme objecten hebben ook een grote invloed op hun omgeving: zo wordt materiaal dat in de buurt van zwarte gaten komt met enorme snelheden weggeslingerd. Dat kan zelfs grote invloed uitoefenen op de vorming van hele melkwegstelsels. Het spectaculaire vuurwerk dat afgaat wanneer zulke objecten ontstaan of samensmelten, kan tot ver in het heelal worden gezien als 'transients'. Met de slimste waarneemtechnieken en de nieuwste optische, radio- en röntgentelescopen zijn deze objecten en processen nauwkeurig te bestuderen. Ook zorgen theoretische berekeningen en computersimulaties ervoor dat de nieuwe ontdekkingen kunnen worden gebruikt om ons begrip van deze extreme (astro)fysica te testen.