L'Enterprise NX-01 se propose d'étudier Terra Nova, un monde apparemment sans histoires colonisé par un petit groupe d'humains depuis quelques décennies. Les colons se sont farouchement opposés au projet envisageant l'arrivée sur Terra Nova de plusieurs centaines d'autres colons et ont finalement cessé tout contact avec la Terre.
Leurs motivations et leurs conditions de vie sur la planète ont depuis fait l'objet de nombreuses spéculations, mais la durée du voyage en vitesse-pré Warp étant de 18 années, cela a dissuadé la Terre de mener une enquête.
Lorsque l'Entreprise arrive en orbite de Terra Nova les scans montrent que la colonie est restée intacte, mais les capteurs ne détectent aucun signe de vie humain. Une faible quantité de radiations est présente autour de la colonie.
Quant une Away Team se rend sur Terra Nova, le Subcommander T'Pol note que 70 ans plus tôt le niveau des radiations aurait été mortel pour l'homme. Le Lt Malcom Reed aperçoit un curieux bipède dans la forêt avoisinante et le suit jusqu'à l'entrée d'un réseau de grottes.
En effectuant des recherches à l'intérieur des grottes noires, le Capitaine Jonathan Archer et le Lt Malcom Reed découvrent des preuves de l'existence d'une société, mais ils sont surpris quand un groupe surgit de l'obscurité et brandissant une forme de pistolet les attaque.
Archer cherche à atteindre la sécurité du refuge représenté par la navette, mais Malcolm blessé est capturé par les occupants des grottes. T'Pol confirme que ce sont des êtres Humains, en dépit d'une apparence modifiée.
Les scans effectués par les senseurs de l'Enterprise révèlent que le Lt Reed est bien vivant, bien que ne répondant pas aux appels. Un réseau de tunnels circulant dans les grottes s'élève à plus de 12 km, on y détecte aussi des puits, mais, la cause de la présence des radiations n'a pas été identifiée.
L'équipage suggère divers moyens agressifs de sauvetage pour récupérer Malcolm, mais le Capitaine Archer préfère essayer de parlementer d'abord, après tout ils sont face à d'autres Humains. Après avoir demandé à l'Enseigne Hoshi Sato de pirater les bases de données de la colonie, il retourne sur la planète accompagné du Dr Phlox.
Archer et Phlox dans le but de récupérer le Lt Reed, pénètrent dans les grottes, ils apprennent que les troglodytes présents détestent les humains qu'ils accusent d'avoir provoqué des pluies irradiantes quelques décennies plus tôt afin de les détruire, depuis lors, ils ont vécu dans les grottes.
Un petit élément de confiance est établi lorsque le Dr Phlox diagnostique que la doyenne des colons souffre d'un cancer du poumon. Son fils, Jamin, accepte un traitement à bord d'Entreprise, mais il exige que Reed reste là afin de servir d'otage, s'ils ne reviennent pas avant le lever du soleil, il sera tué.
L'hostilité envers les Humains ne faiblit pas cependant, et sur l'Enterprise, une immersion totale dans un appareil de numérisation est pénible pour Nadet, la vieille dame. Le cancer s'est propagé au-delà des poumons et une série d'injections seront nécessaires pour le neutraliser. Les tentatives de conciliation du Capitaine Archer ne sont pas les bienvenues
T'Pol émet l'idée que la radioactivité a été causée par du minerai beresium contenu dans un astéroïde qui s'est écrasé sur la planète. Le nuage radioactif résultant de l'impact aurait englobé l'hémisphère nord de la planète pendant un an ou deux.
Les banques de données révèlent que les colons ont cru qu'il s'agissait d'une attaque de la Terre en réaction à leur dissidence, mais les transmissions contenant ce message n'étaient jamais arrivées sur la Terre, bloquées par la densité du nuage.
Les enfants des colons ont réussi à résister aux radiations, même s'il ils ont subis des altérations physiques, mais deux générations successives ont vécu en croyant que les habitants de la Terre étaient leurs ennemis.
Le Dr Phlox guérit le cancer de Nadet, mais découvre des contaminants dans le système d'alimentation en eau qui ont causé des lésions micro-cellulaires chez les troglodytes, qui sont susceptibles de persister et d'augmenter. La seule solution sure est de les évacuer, mais ils refusent de partir. Ils ne sont pas toujours pas convaincus qu'ils sont eux même les descendants des Humains, même lorsque qu'une photo sur laquelle figure Nadet, encore enfant avec ses parents leur est montrée.
Archer veut sauver la vie des habitants de la grotte en les ramenant sur la Terre, mais T'Pol souligne les difficultés qu'ils auraient à s'intégrer et l'effet dévastateur que cela aurait sur leur identité.
Il conçoit alors un plan alternatif, le nuage radioactif n'ayant pas affecté l'hémisphère sud de la planète, il demande au Commander Charles "Trip" Tucker d'y localiser d'autres grottes similaires à celles où séjournent les descendants de la colonie.
Le Capitaine Archer et l'Enseigne Travis Mayweather accompagnent Nadet et Jamin lors de leur retour sur Terra Nova, mais, à l'atterrissage, la navette se pose malencontreusement sur des tunnels abandonnés et s'enfonce de 8 mètres dans le sol. Akary, un jeune troglodyte est coincé sous un arbre suite à un éboulement. Malgré sa méfiance, Jamin travaille en coopération avec Archer pour sauver le jeune Novien.
Il sauve Archer d'une chute fatale et accepte ensuite de lui prêter son arme pour découper l'arbre, le travail d'équipe fonctionne et le jeune homme est sauvé. Ils rejoignent Reed avant la fin de l'ultimatum.
Nadet accepte désormais la vérité sur son ascendance, et convainc son fils Jamin de croire les Terriens à propos de l'empoisonnement de l'eau potable. Elle lui demande également d'accepter la relocalisation des colons dans une région saine, proposée par Archer.
L'Enseigne Mayweather est heureux d'avoir pu résoudre une partie du mystère de la colonie, en disant qu'il sera à la une des nouvelles lorsqu'il rentrera chez lui. Son enthousiasme est tel que le Capitaine Archer suggère qu'il rédige lui-même le rapport à remettre à Starfleet ce qui l'associera davantage encore avec Terra Nova.
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