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La novela trata sobre lo que podría ser el contacto con una cultura extraterrestre inteligente, sobre cómo se vería afectada la especie humana al conocer que no estamos solos en el universo, lo que sería un gran cambio en la historia de la humanidad. La protagonista, Eleanor EllieArroway, dirige el proyecto Argus del SETI, dedicado a captar emisiones de radio provenientes del espacio.

Un día, sus radiotelescopios captan una señal compuesta por una serie de números primos, lo que se considera evidencia de una inteligencia extraterrestre. La señal, además, contiene instrucciones para construir una compleja máquina. Una vez construida, cinco tripulantes, incluida la propia Ellie, son transportados a través de varios agujeros de gusano (ellos creen que es por medio de agujeros negros) a un punto en el centro de la Vía Láctea, específicamente en la constelación de Lyra pasando previamente por el sistema de Vega. Una vez en Lyra se reúnen con extraterrestres superiores, quienes adoptan la forma de un ser querido para cada uno de ellos y así poder transmitirles un mensaje.

Al volver a la Tierra, descubren que su viaje apenas ha durado veinte minutos de tiempo terrestre, siendo que para ellos pasó un día entero, y que además no quedan pruebas grabadas, por lo que son acusados de fraude y sometidos a frecuentes interrogatorios.

En una especie de epílogo, Ellie actuando según una sugerencia de los emisores de la señal, trabaja en un programa para encontrar patrones ocultos en los decimales del número Pi. Finalmente encuentra oculto en la representación en base 11 un patrón especial en el que los números dejan de variar de forma aleatoria y comienzan a aparecer unos y ceros en una secuencia. La única forma de ocultar semejante mensaje en Pi es que el propio creador del universo lo hubiera hecho. Por lo que Ellie empieza una nueva búsqueda análoga al SETI en el aparente ruido de los números irracionales.

Reflexiones científicas del texto

• El desciframiento del mensaje de números primos, palabras y películas se lleva a cabo con los operadores lógicos matemáticos: más, igual, verdadero y falso.
• Gran parte del libro explica la ardua tarea de los científicos que emplean los radiotelescopios y sus señales para la búsqueda de vida inteligente en estrellas, constelaciones y galaxias por medio del programa del SETI-MIT.
• Aunque el libro es de ciencia-ficción, rescata las principales teorías físicas de la gravedad y tiempo de Isaac Newton, ecuaciones de Maxwell, Albert Einstein y la teoría de la relatividad especial y general, los agujeros negros, Max Planck y la mecánica cuántica, los vuelos espaciales y en el tiempo.
• Menciona parte de la historia de vehículos espaciales de la Ex-URSS, hoy Rusia.
• También habla sobre la construcción de otros vehículos espaciales de la NASA.
• Para la construcción de la máquina que viajaría a Vega (estrella), Sagan acudió a un importante físico gravitacional de la universidad de Caltech, Kip Thorne, quien en 1988 matemáticamente con la teoría de la relatividad general de Einstein y sus teorías complementarias de los agujeros negros de Kerr, los agujeros de gusano de Schwarzschild, Puentes de Einstein-Rosen, realizó la estabilidad de los agujeros de gusano en la curvatura del espacio-tiempo por medio de materia exótica. Con esto, Thorne teorizó una de las posibilidades de viajar en el tiempo científicamente y propuso para ello una máquina con forma de dodecaedro con tres cápsulas concéntricas y exteriores que debían girar a alta velocidad en un vacío por un potente generador de campo magnético.