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SETIプロジェクトの研究者エリナー・アロウェイ（愛称エリー）はアレシボ天文台で探査と研究をしていた。しかし先の見えないSETIプロジェクトに対し懐疑的な天文学の権威ドラムリンによってエリーのチームは研究費とアレシボの利用権を打ち切られ、研究は中断を余儀なくさせられてしまう。

エリーは独自の資金源を求め各企業を渡り歩き、ついにハデンというスポンサーを得ることに成功する。こうしてニューメキシコの超大型干渉電波望遠鏡群を独自の資金で渡りをつけ探査を再開したある日、彼女は遂にヴェガから断続的に発信し続けられる有意な電波信号を受信。チームは色めき立ち、早速その解析を進めるが、メディアを通じてこれが公になったことでドラムリンや政府（NSA）が介入。探査は進むが、次第にエリーの思惑とは関係ない方向へと事態が進行していく。政府の宗教顧問パーマーやカルト宗教家、さらに出資者ハデンまでもがそれぞれの思惑で動き始めたことで、探査の主導権や解析結果の解釈を巡る駆け引きは政治と科学と宗教を巻き込んだ展開を見せ始める。

ハデンの助言によりエリーはメッセージの解読に成功。メッセージに含まれる設計図をもとにヴェガへの移動装置が建設される。しかし乗組員として選ばれたのは、神の存在について実証主義の立場から否定したエリーではなく、表向きに神の存在を認めたドラムリンであった。しかし動作テストの日、カルト宗教家の自爆テロによりマシーンは破壊され、ドラムリンも死亡する。

失意のエリーのもとに、ハデンから北海道で極秘に建造されていたマシーン2号機の存在が知らされる。乗り込んだエリーを待っていたのは、驚愕の体験と意外な人物との再会だった…。

ラストのニューメキシコでエリーが子供たちと談笑するシーンでは、背景に映る電波望遠鏡群がCG合成にて現実よりも多く配置されている(LD版オーディオコメンタリーより)。エリーが経験した地球外知的生命との接触の真偽について、作中では政府の公式見解が明確にされていないが、少なくとも以前よりも宇宙観測の環境が整う結果につながったことを控えめに示唆している。