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Asteroid City est une ville minuscule, en plein désert, dans le sud-ouest des États-Unis. Nous sommes en 1955. Le site est surtout célèbre pour son gigantesque cratère de météorite et son observatoire astronomique à proximité. Ce week-end, les militaires et les astronomes accueillent cinq enfants surdoués, distingués pour leurs créations scientifiques, afin qu’ils présentent leurs inventions. À quelques kilomètres de là, par-delà les collines, on aperçoit des champignons atomiques provoqués par des essais nucléaires....

Trevor Reznik est ouvrier dans une usine. Un métier répétitif, fatiguant, usant, au milieu d’un bruit assourdissant, où la moindre inattention peut avoir des conséquences dramatiques. Une attention que Trevor a du mal à maintenir, car il est très fatigué. En fait, Trevor n’a pas dormi depuis un an. Il partage ses nuits entre la cafétéria de l’aéroport, où il retrouve Marie, la serveuse, et l’appartement de la prostituée Stevie. Depuis quelque temps, la vie de Trevor devient de plus en plus étrange. Qui laisse des messages codés dans son appartement ? Pourquoi Marie ressemble-t-elle tant à sa mère ? Quant à Stevie, elle semble bien connaître le nouvel employé de l’usine, Ivan. Pourquoi ne lui a-t-elle rien dit ? Un homme d’ailleurs très étrange, cet Ivan. Inquiétant, dérangeant, il semble surveiller sans cesse Trevor…...