En agosto de 1853, con la idea de hacer que ambos jovenes entablaran alguna relación, Sofía invitó a Ludovika y a sus dos hijas mayores a Ischl a celebrar el cumpleaños número 23 de Francisco José. Sin embargo, no fue Nené sino su hermana menor, Elisabeth, cariñosamente llamada Sisí, quien atrajo la atención del joven Emperador. En la mañana de 17 de agosto, durante el desayuno, Francisco José habló a su madre del encanto natural de Sisí. Sofía trató de convencerlo de no apresurarse a tomar cualquier decisión; consideraba a Sisí inmadura y aniñada y ciertamente prefería a Nené. "¿No encuentras a Nené inteligente y con una bella y esbelta figura?" preguntó Sofía a su hijo. Pero Francisco José no se dio por vencido. Se había enamorado irremediablemente de Sisí.
Tanto Sofía como Ludovika estaban decepcionadas de que Sisí hubiera sido preferida sobre Nené, pero como ambas estaban tan entusiasmadas con la idea de un matrimonio bávaro, alentaron a Sisí para que correspondiera a Francisco José. Sofía pensaba que, debido a la corta edad de su sobrina (tenía sólo 16 años), el carácter de la princesa podía aún ser moldeado adecuadamente para ser emperatriz.
El compromiso se hizo oficialmente público al final de marzo en la iglesia de Ischl en donde Francisco José presentó a Sisí ante el sacerdote como su futura esposa. Se casaron el lunes 24 de abril de 1854.
Sofía escribió en su diario: "Ludovika y yo escoltamos a la joven novia hasta su habitación. La dejé con su madre y esperé en la antesala, junto a la gran cámara, a donde estaba el lecho nupcial. Después encontré a mi hijo y lo conduje hasta su joven esposa, como ahora acepto que es, y les deseé buenas noches. Ella, con su natural encanto, con su hermoso cabello suelto, y envuelta en el lecho, me pareció como un pajarillo asustado acurrucado en su nido".
Sofía les negó toda privacidad a la joven pareja, pero tal intromisión le parecía natural y no pensó que esta situación pudiera incomodar a su nuera y dañaría las relaciones futuras enre ambas. El martes 25 de abril, Sofía escribió en su diario: "Encontramos (Sofía y Ludovika) a la joven pareja desayunando en el hermoso estudio; mi hijo estaba radiante y se mostraba como un retrato de felicidad. Sisí se mostró muy emocionada cuando su madre la abrazó. Primero quisimos dejarlos solos pero el Emperador nos detuvo y amablemente nos invitó a regresar".
Cuando Elisabeth se embarazó, Sofía comenzó a interferir en como debía su nuera comportarse durante su preñez: En cierta ocasión le comentó a Francisco José: "Siento que Sisí no debería pasar tanto tiempo con sus pericos; si una mujer está constantemente viendo a los animales durante los primeros meses de su embarazo, los niños tienden a parecerse a los animales. Lo que debería hacer es verse a sí misma en el espejo o a ti. Entonces tendría mi total aprobación"
Conforme pasaba el tiempo, las intromisiones de Sofía en los asuntos matrimoniales de su hijo, empezaron a causar disputas con Elisabeth. Las peores riñas eran en lo concerniente a la educación del príncipe heredero Rodolfo, tercer hijo de Sisí. Sofía estaba convencida de que Sisí era muy inmadura para supervisar la educación del príncipe. La archiduquesa había planeado para su nieto el mismo entrenamiento que había implantado en sus propios hijos, y Francisco José apoyaba a su madre en todas sus propuestas; sin embargo Sisí era demasiado temperamental para dejar que su suegra hiciera lo que quisiera en asuntos que sólo le concernían a ella y a su marido. Lo que era aún pero era que pensaba que todo lo que hacía la archiduquesa era para molestarla. Esto, desde luego, no era verdad, Sofía incluso estaba orgullosa de la belleza de su nuera y su único interés era su sentimiento patriótico y su intenso deseo de preservar la monarquía. Sea como fuera, día con día se intensificaba la tensión entre la archiduquesa y la emperatriz.
Sofía interfería también con la vida romántica de su segundo hijo. Maximiliano se enamoró de Paula von Linden, hija del embajador de Wurtemberg peor Sofía la consideraba muy por debajo del rango de su hijo, e hizo hasta lo imposible por separarlos y logró que enviaran al padre de Paula fuera de Austria.
Cuando Maximiliano se comprometió con la princesa Carlota de Bélgica, Sofía dio su aprobación a la novia de su hijo. En su opinión Carlota era una muchacha hermosa, inteligente y fascinante y su figura rolliza parecía ser muy apta para la maternidad. Sin embargo, cuando Maximiliano recibió la oferta de ocupar el trono de México, Sofía se opuso rotundamente al proyecto, para disgusto de Carlota, quien ambicionaba ocupar un trono. Sofía consideraba el asunto muy riesgoso y pensaba que la única manera de establecer un imperio en México, era por medio de las armas. Hizo todo lo que estuvo a su alcance para evitar que Maximiliano aceptara el trono de México, pero todo fue inútil, ya que Maximiliano cedió ante la ambición de Carlota y aceptó la propuesta de Napoleón III y los monárquicos mexicanos
Francisco José, para permitir que Maximiliano se convirtiera en emperador de México, le exigió que firmara un documento conocido como Pacto de Familia, el cual era un acta solemne de renuncia a sus derechos al trono de Austria. Maximiliano se negó a firmar y Sofía intercedió en su favor ante Francisco José a quien rogó que no quitara a su hermano sus derechos de nacimiento. La archiduquesa tenía muy poca fe en el proyecto mexicano y temía que Maximiliano regresara a Europa, fracasado, sin dinero y privado de su herencia. Sin embargo sus ruegos fueron vanos ante el emperador a quien sólo logró irritar. Lastimada y herida por la actitud de su hijo mayor, dejó el Hofburgo y se refugió en Laxenberg.
Los temores de Sofía no carecían de fundamento; Maximiliano fracasó como emperador de México, en donde la situación se tornó sumamente peligrosa en su contra. Entonces comenzó a pensar seriamente en abdicar. y regresar a Europa. El padre Agustín Fisher, sacerdote alemán que era emisario de Maximiliano en Roma, visitó a Sofía en Viena y le notificó la decisión del emperador de abdicar. La archiduquesa comentó: "Mi pobre Max, será muy duro para él reaparecer en Europa como un fracasado". Fisher interpretó a su manera estas palabras y le dio su versión a Maximiliano en México: "Uno debe enterrarse bajo las cenizas de México antes de aceptar la derrota".
Varios historiadores culpan a Sofía de haber sido la causante de la decisión final de Maximiliano de permanecer en México, pero la realidad fue otra. Cuando la archiduquesa supo que Maximiliano regresaba a Europa, se llenó de alegría, y esto es testificado por su dama de compañía, la landgravine von Furstenberg, quien escribió: "El pobre archiduque regresa a casa...mi ama estaba en estado de gran ansiedad y penaba que podían asesinarlo, por lo que estaba feliz de que regresara". Esta pequeña nota exonera a Sofía de haber empujado a su hijo a permanecer en México y encontrar la muerte.
Carlota no podía resistir la idea de una abdicación por lo que viajó a Europa, dejando a Maximiliano en México, para entrevistarse con Napoleón III y con el Papa Pío IX en busca de ayuda para mantener el Imperio. Durante el viaje, mostró síntomas de haber perdido la razón, mismos que incrementaron durante las entrevistas con Napoleón y el Papa, por lo que fue confinada en su palacio en Trieste, Miramar.
En enero de 1867, Sofía escribió una carta a Maximiliano: "Tu pobre Carlota me ha escrito una carta en la cual expresa la gran alegría por los regalos de Navidad que le enviamos Papá y yo... No puedo más que aprobar tu resolución de quedarte en México, a pesar de tu natural deseo de correr al lado de Carlota. De esta manera has evitado la apariencia de haber sido expulsado y ahora que tanto amor, simpatía y agradecimiento e indudablemente el temor de la anarquía que pudiera venir después de ti, te mantienen en tu nueva patria, solamente puedo sentirme feliz y espero que los ricos del país puedan hacer posible que permanezcas ahí y que perseveres en tu misión. El 26 de diciembre, Papa y yo nos reunimos por primera vez con nuestros cuatro nietos y sus padres para repartir los regalos de Navidad. Gisela y Rodolfo estuvieron encantadores con sus primos más pequeños. El Emperador subió al gordito Otto (hijo de Carlos Luis y el futro padre del emperador Carlos I, el último Habsburgo) en un trineo y Rodolfo lo paseó. Franzi (Francisco Fernando, también hijo de Carlos Luis y cuyo asesinato conduciría a la Primera Guerra Mundial). se sentó junto a Sisí y palticó y jugó con ella. La belleza es un imán tanto para hombres como para niños, mientras que las niñas ni siquiera la notan. El siguiente domingo estábamos todos reunidos durante el desayuno cuando la música de tu reloj de Olmutz comenzó a sonar, y me pareció como si desde lejos estuvieras mandándonos saludos. los ojos se me llenaron de lágrimas y el Emperador lo notó, pues se volteó rápidamente. A pesar de todo debo esperar que permanezcas en México todo el tiempo posible y que puedas hacerlo con honor".
Posiblemente Sofía se contradecía en esta carta, pero no podía hacer otra cosa sino aplaudir la decisión de Maximiliano. Quizás pensaba que su hijo favorito no podría resistir ver a Carlota en el estado de demencia en el que estaba, y además se rumoraba que esperaba un hijo que no era de Maximiliano, por lo que Sofía prefería mantener a su hijo lejos de esta difícil situación. La situación de Maximiliano en México empeoró; su ejército fue sitiado en Querétaro por las fuerzas republicanas del presidente Benito Juárez, rindiéndose el 15 de mayo de 1867. El archiduque fue juzgado, sentenciado a muerte y ejecutado el 19 de junio.
Cuando Sofía supo la terrible noticia, exclamó: "¡Esos salvajes han asesinado a mi querido y hermoso Max! Lo matraron como si fuera un vulgar criminal", y se desmayó en brazos de su esposo. Desde aquel día la archiduquesa se convirtió, de una orgullosa princesa en una patética anciana. Se negó a leer la carta de condolencia de Napoleón III y solo recibía a los oficiales austriacos que venían de México con algún mensaje de su hijo con algo que contar sobre él.
En 1870, Sofía concedió una audiencia a la señora Concepción Lombardo de Miramón, viuda del General Miramón, quien había luchado y muerto junto a Maximiliano. La señora Miramón le entregó una medalla y un relicario que Maximiliano le había dado, con la encomienda de entregarlo a su madre. Sofía, con el rostro bañado en lágrimas, sólo acertó a decir:: ¡Pobre Max! La señora Miramón también llevaba una carta, escrita por propia mano de Maximiliano, pidiéndole a sus padres que protegieran a la viuda y a los hijos del general en gratitud por la lealtad con que le había servido. Las dos mujeres hablaron por cerca de media hora sobre Maximiliano. Sofía concedió a la viuda una pensión y envió regalos a sus niños y una joya para la madre. En Navidad, los invitó a cenar con ella..
Sofía pasó sus últimos años, desaprobando la conducta de su nuera, la emperatriz Elisabeth. Adoraba a su nieto el príncipe herdero Rodolfo, quien afectuosamente correspondía al cariño de su abuela. Durante el invierno de 1870 a 1871, Sofía pareció recobrar mucho de su antiguo vigor y presidió nuevamente sobre la alta sociedad vienesa; después de todo, sólo tenía 63 años. Ofrecía una cena cada viernes por la noche en el Hofburgo pero desaprobaba las nuevas modas e ideas y deploraba el liberalismo y la intromisión de los ministros húngaros el la corte vienesa.
A principio de 1872, la archiduquesa tuvo la satisfacción de saber que un miembro de su familia Wittelsbach, el príncipe Leopoldo, primo segundo suyo, se casaría con su nieta, la archiduquesa Gisela, a quien estaba muy apegada por haber sido una buena nieta. Pero Sofía no viviría para ver casarse a Gisela. El lunes 6 de mayo, se levantó a las cinco y media de la mañana para salir a una expedición de todo el día. Era una mañana fresca y Sofía contrajo un resfriado que unos días más tarde se convirtió en una peligrosa bronquitis. El sábado 11 de mayo se desmayó y así permaneció, tendida en su cama de enferma por varios días durante los cuales su familia se reunió a su alrededor en el Hofburgo. La emperatriz Elisabeth guardo una constante vigilia junto al lecho de la enferma y Francisco José colocó el rosario de la emperatriz María Teresa entre las manos de su madre. La archiduquesa murió finalmente el 28 de mayo de 872. Su cuerpo fue colocado en la Iglesia de las Capuchinas entre las tumbas de Maximiliano y del Duque de Reichstadt.
Su esposo Francisco Carlos le sobrevivió por seis años; murió el 8 de marzo de 1878.
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