La découverte de l'objet remonte à la nuit du 24 mars 1993, lorsque Carolyn et Eugene Shoemaker, accompagnés de David Levy, examinent des plaques photographiques prises avec le télescope de Schmidt de 0,46 mètre de l'observatoire du Mont Palomar, en Californie. Le trio, engagé depuis plusieurs années dans un programme systématique de détection d'astéroïdes et de comètes géocroiseurs, repère une image inhabituelle : au lieu du point ou du halo diffus caractéristique d'une comète isolée, le cliché révèle une structure allongée, semblable à un chapelet de perles lumineuses alignées les unes derrière les autres. Cette morphologie atypique, immédiatement reconnue comme le signe d'une fragmentation, distingue d'emblée cette neuvième découverte cométaire du couple Shoemaker et de Levy de toutes les précédentes.

L'analyse rétrograde de l'orbite de l'objet a rapidement révélé que l'objet n'était pas une comète à longue période en passage occasionnel, mais qu'elle avait été capturée par le champ gravitationnel de Jupiter et était en orbite autour de Jupiter elle-même, probablement depuis plusieurs décennies, la planète géante l'aurait capturée gravitationnellement aux alentours des années 1920-1930 (peut-être plus récemment selon certaines sources). Cette capture, rendue possible par la profondeur du puits de potentiel jovien, plaçait le noyau cométaire sur une trajectoire fortement elliptique et instable. Le 7 ou 8 juillet 1992, lors d'un passage au périjove particulièrement rapproché, le corps traverse une région de l'espace jovien où les forces de marée exercées par la planète dépassent la cohésion gravitationnelle interne du noyau : cette zone critique, appelée   limite de Roche, marque le seuil au-delà duquel un objet suffisamment proche d'un corps massif ne peut plus se maintenir sous forme d'un unique agrégat. Le noyau, vraisemblablement une structure faiblement consolidée de glaces et de poussières héritée de la formation du Système solaire, se disloque alors en au moins vingt et un fragments distincts, désignés par convention de la lettre A à la lettre W, en excluant les lettres I et O pour éviter toute confusion avec les chiffres 1 et 0.

Les observations menées par le télescope spatial Hubble au cours du printemps 1994 permettent de dresser un inventaire précis de ce train de fragments, qui s'étire alors sur plus de 1,1 million de kilomètres, soit environ trois fois la distance Terre-Lune. Le fragment nommé Q, situé près du centre de la chaîne, apparaît comme le plus brillant et probablement le plus massif de l'ensemble. Les estimations de la taille du corps parent avant fragmentation restent entachées d'une incertitude significative, les valeurs avancées par les équipes de recherche s'échelonnant entre deux et dix kilomètres de diamètre, tandis que les plus gros fragments individuels sont crédités d'un diamètre compris entre un et trois kilomètres. Cette incertitude tient largement aux limites de résolution des instruments de l'époque et à la présence d'un nuage de poussières qui masque partiellement les noyaux les plus ténus, rendant difficile la distinction entre fragments simples et agrégats multiples.

Dès le mois de mai 1993, les calculs orbitaux affinés révèlent que la trajectoire de la comète, désormais fragmentée, la conduit inexorablement vers une collision frontale avec Jupiter, prévue pour la mi-juillet 1994. Cette annonce déclenche une mobilisation sans précédent de la communauté astronomique internationale : télescopes terrestres de tous les continents, télescope spatial Hubble, mais aussi la sonde Galileo, alors en transit vers Jupiter et bénéficiant d'un point de vue direct sur la face de la planète où les impacts doivent se produire, ainsi que la sonde Voyager 2, alors en route vers les confins du Système solaire, sont mobilisés pour observer l'événement sous des angles complémentaires. Jamais auparavant une collision cosmique n'avait pu être anticipée avec une telle précision temporelle, offrant à la science planétaire une occasion unique d'observer en direct un phénomène habituellement connu uniquement par ses traces géologiques anciennes, à l'image du cratère d'impact associé à l'extinction du Crétacé-Paléogène sur Terre.

Entre le 16 et le 22 juillet 1994, les vingt et un fragments percutent successivement l'hémisphère sud de Jupiter, à une vitesse relative de l'ordre de 60 kilomètres par seconde, soit environ 216 000 kilomètres par heure. Chaque impact se produit légèrement au-delà du limbe visible depuis la Terre, sur la face nocturne de la planète proche du terminateur, ce qui contraint les observateurs terrestres à reconstituer l'essentiel des phénomènes à partir des panaches et des cicatrices atmosphériques révélés par la rotation rapide de Jupiter, dont la période est d'environ dix heures. Les fragments les plus massifs, en particulier ceux désignés G et H, engendrent des boules de feu dont la température dépasse plusieurs milliers de degrés et des panaches de matière éjectée s'élevant entre 1900 et 3000 kilomètres au-dessus des nuages joviens, avant de retomber et de former des taches sombres persistantes, certaines atteignant une taille comparable, voire supérieure, à celle de la Terre. L'énergie totale libérée par l'ensemble des impacts est estimée par différentes équipes à une valeur comprise entre plusieurs millions et plusieurs centaines de millions de mégatonnes d'équivalent TNT, un ordre de grandeur qui dépasse de plusieurs milliers de fois celui de l'intégralité de l'arsenal nucléaire terrestre cumulé.

Les cicatrices laissées dans l'atmosphère jovienne, plus sombres et plus visibles pendant plusieurs mois que la Grande Tache rouge elle-même, ont permis aux spectroscopistes d'analyser en détail la composition chimique des couches profondes de l'atmosphère de Jupiter, normalement inaccessibles à l'observation directe. Les observations menées par le télescope spatial Hubble, l'observatoire spatial ISO, la sonde Galileo (qui, bien qu'encore en route vers Jupiter, possédait une ligne de vue directe sur les faces d'impact) et un réseau mondial de télescopes au sol, ont mis en évidence la présence de molécules qui n'étaient pas attendues ou qui étaient présentes en quantités infimes dans l'atmosphère jovienne normale. La détection la plus surprenante fut celle du soufre diatomique (S2), une molécule hautement réactive et instable, dont l'abondance a culminé peu après l'impact avant de décroître rapidement. Sa présence a été interprétée comme la preuve d'une chimie de choc à haute température, où les molécules d'hydrogène sulfuré (H2S), hypothétiquement présentes dans les couches nuageuses profondes de Jupiter, ont été dissociées puis recombinées lors du refroidissement rapide du panache. D'autres espèces ont été identifiées avec certitude, notamment le monoxyde de carbone (CO), le sulfure de carbone (CS), l'ammoniac (NH3) et l'eau (H2O). La détection d'eau fut particulièrement débattue : bien que l'eau soit un constituant majeur des comètes, sa présence dans la stratosphère jovienne après l'impact a soulevé la question de son origine, qu'elle soit exogène (apportée par la comète) ou endogène (c'est-à-dire remontée depuis les couches profondes de l'atmosphère de Jupiter, en dessous de la couche de glace d'eau théorique). Les mesures du rapport deutérium/hydrogène (D/H) dans l'eau observée ont finalement penché en faveur d'une origine majoritairement cométaire, bien que des modèles ultérieurs aient suggéré un mélange complexe des deux réservoirs.

Les conséquences dynamiques et thermiques de la collision sur l'atmosphère de Jupiter ont été tout aussi spectaculaires et durables. Les sites d'impact sont apparus comme des taches sombres massives, certaines s'étendant sur des surfaces supérieures à celle de la Terre. Contrairement à une intuition première qui les attribuait à de la suie carbonée d'origine cométaire, les analyses spectrales et polarimétriques ont indiqué que cette obscurité était principalement due à des aérosols de soufre, de composés organiques complexes polymérisés sous l'effet du choc, ou à des matériaux sombres remontés des profondeurs de l'atmosphère. Ces taches ont persisté pendant plusieurs mois, servant de traceurs passifs pour étudier la circulation atmosphérique jovienne. Elles ont été progressivement étirées et dispersées par les vents zonaux différentiels, permettant aux planétologues de mesurer avec une précision inédite les cisaillements de vent à différentes latitudes et altitudes. De plus, l'énergie déposée par les impacts a provoqué un réchauffement stratosphérique global localisé, avec des augmentations de température de plusieurs dizaines de kelvins dans les régions immédiates des impacts, modifiant temporairement le bilan radiatif et la chimie photochimique de la haute atmosphère.

Un des aspects les plus notables de l'événement a été la détection d'ondes atmosphériques à grande échelle générées par les impacts. Les observations en infrarouge et en lumière visible ont révélé la propagation d'ondes acoustiques-gravitationnelles qui ont fait le tour de la planète à des vitesses caractéristiques de la stratosphère jovienne, créant des motifs d'interférence et des oscillations dans les couches nuageuses. Ces "séismes atmosphériques" ont fourni des contraintes observationnelles précieuses pour les modèles de structure interne et de profil de température de Jupiter, agissant de manière analogue à la sismologie planétaire utilisée pour sonder l'intérieur de la Terre ou, plus récemment, de Mars. La capacité de l'atmosphère jovienne à absorber une telle quantité d'énergie cinétique sans perturbation durable de sa structure globale a également souligné la nature fluide et profondément convective de la planète géante, capable de dissiper des énergies qui auraient stérilisé une planète tellurique.

Sur le plan de la dynamique du Système solaire, l'événement Shoemaker-Levy 9 a eu un impact paradigmatique majeur concernant l'évaluation des risques d'impact et le rôle de Jupiter. Avant 1994, les taux de collision dans le Système solaire externe étaient mal contraints, reposant largement sur des extrapolations théoriques ou sur les cratères d'impact des lunes galiléennes. SL9 a fourni une mesure directe et calibrée de la fréquence des impacts de corps de taille kilométrique sur une planète géante, validant les modèles de population des comètes de la famille de Jupiter. Cela a également ravivé le débat sur le rôle de Jupiter en tant que "bouclier gravitationnel" pour le système solaire interne. Si la théorie classique, popularisée par George Wetherill, suggérait que Jupiter éjecte ou capture la majorité des comètes à longue période, protégeant ainsi la Terre, des simulations numériques modernes post-SL9 ont nuancé cette vision. Il est désormais admis que si Jupiter nettoie effectivement certaines orbites, elle peut aussi, par résonance et diffusion gravitationnelle, injecter des objets de la ceinture de Kuiper ou du nuage de Oort vers le Système solaire interne, agissant autant comme un catalyseur de risque que comme un bouclier, selon les paramètres orbitaux spécifiques des petits corps. Des effets plus indirects ont également été mis en évidence, notamment une perturbation mesurable de l'anneau principal de Jupiter, dont l'inclinaison globale se serait légèrement modifiée sous l'effet de l'impact, une perturbation encore détectable par la sonde New Horizons près de deux décennies plus tard.

D'un point de vue méthodologique et historique, la collision de SL9 a marqué la naissance de l'astronomie planétaire globale et coordonnée en temps réel. Pour la première fois, l'ensemble de la communauté astronomique mondiale, des amateurs équipés de télescopes modestes aux plus grands observatoires spatiaux, a convergé vers un seul objectif avec une planification minutieuse. Cette mobilisation a mis en lumière l'importance des archives d'images pré-impact (notamment celles de la sonde Voyager 2 qui avait photographié la région par hasard en 1979 sans y détecter la comète) et a accéléré le développement de techniques d'imagerie à haute cadence et de spectroscopie rapide. 

L'événement a également eu des répercussions sociétales et politiques profondes. La prise de conscience soudaine et visuelle de la réalité des impacts cosmiques, projetant l'énergie de l'impact de Tunguska (Météorites) ou de Chicxulub dans une réalité observable, a directement motivé les gouvernements, notamment celui des États-Unis, à mandater la NASA pour recenser les objets géocroiseurs (NEO) de plus d'un kilomètre, jetant les bases des programmes de surveillance spatiale actuels comme Catalina Sky Survey ou le futur observatoire NEO Surveyor. 

L'événement a également inspiré, dans les années qui suivirent, plusieurs productions cinématographiques hollywoodiennes centrées sur la menace d'un impact d'astéroïde ou de comète sur notre planète. Sur le plan scientifique, l'épisode a par ailleurs renforcé l'hypothèse, déjà ancienne, selon laquelle la masse considérable de Jupiter et son champ gravitationnel jouent un rôle protecteur pour les planètes telluriques du système solaire interne, en capturant ou en déviant une fraction significative des comètes et astéroïdes originaires du nuage d'Oort ou de la ceinture de Kuiper, bien que l'ampleur exacte de cet effet protecteur reste, encore aujourd'hui, débattue au sein de la communauté scientifique.

Trois décennies après les faits, les données acquises lors de cette semaine de juillet 1994 continuent d'être réanalysées à l'aune des nouvelles découvertes, notamment en comparaison avec les impacts plus récents et plus petits détectés sur Jupiter par des astronomes amateurs (comme ceux de 2009, 2010 ou 2021). Shoemaker-Levy 9 reste ainsi l'archétype de l'impact cométaire, une référence absolue contre laquelle toute nouvelle observation de collision dans le Système solaire ou dans les systèmes exoplanétaires est inévitablement comparée, rappelant la nature dynamique, violente et interconnectée de notre environnement cosmique.