Sia l'astronomia sia l'astrofisica trassero un enorme giovamento dalle scoperte relativistiche in quanto entrambe le discipline sfruttano la luce come "strumento di indagine", l' una per descrivere i moti celesti e l'altra per cercare di capire i meccanismi che regolano l'evoluzione stellare.

Il dualismo ipotizzato per spiegare le proprietà luminose si avvaleva sia della teoria ondulatoria sia dell'ipotesi di quantizzazione formulata da Einstein nel 1905 (pubblicata in quelle 3 memorie nelle quali era inclusa anche la teoria della relatività ristretta). In tal modo fu possibile risalire, tramite l'analisi delle radiazioni emesse dalle stelle ad alcune caratteristiche dei corpi celesti.

Già NEWTON nel 1666 aveva riscontrato che un raggio luminoso era "scomponibile" in un "fascio" di colori disposti secondo un certo ordine. Egli lo definì "spettro" proprio perché questa "striscia" di colore risultava immateriale.

In questo modo nacque la spettografia che, grazie all'apporto di nuove strumentazioni (come, ad esempio, l'interferometro progettato da Michelson nel 1880 e lo spettrografo) consentiva non solo lo studio degli spettri, ma anche di risalire, attraverso di essi, ad alcune caratteristiche del corpo che emetteva la radiazione.

Esistono spettri di emissione ottenuti tramite il riscaldamento di un corpo nero (spettro di emissione continua), o gas rarefatti ad alta temperatura (spettro a righe nel caso di gas atomici e spettro a bande, nel caso di gas molecolari) e spettri di assorbimento, ottenuti facendo passare una radiazione attraverso un gas a bassa pressione.

Nel caso delle stelle, si ottengono sempre spettri di assorbimento in quanto le radiazioni emesse dal nucleo vengono "filtrate"nel passaggio attraverso gli strati più esterni dove sono presenti anche gli altri elementi. Si è riscontrato, però, uno spostamento verso il rosso (red shift) in quasi tutti gli spettri analizzati e ciò si pensa sia dovuto all'effetto Doppler (effetto che si riscontra quando una sorgente luminosa si sposta e ciò comporta un cambiamento della lunghezza d'onda della radiazione misurata; lo spostamento avviene "verso il rosso" se la sorgente è in allontanamento, "verso il blu" se è in avvicinamento) generato dall'espansione dell'universo.

Questo risultato avvalorava perciò una delle ipotesi sull'universo scaturita dall'elaborazione delle equazioni di Einstein, ovvero quella di un universo in movimento e non "statico".

Un'ulteriore conferma di questa ipotesi è stata fornita dalla rilevazione (effettuata al polo nord tramite un pallone aerostatico) della radiazione di fondo che non solo avvalorava la concezione dell'universo in espansione ma anche l'ipotesi del Big Bang. Questa radiazione era già stata rilevata casualmente da Antonio Penzias e Robert Wilson negli anni sessanta ma solo adesso si hanno informazioni più dettagliate.

Inoltre il merito della relatività nello studio e nel convalidare i modelli cosmologici è notevole. E' solo confrontando alcune idee che Einstein espresse nel 1917 (quando egli stesso, elaborando le sue equazioni, giunse ad ipotizzare anche un modello cosmologico statico), che Gamow arrivò a concepire il modello del Big Bang .Tuttora la relatività generale si configura come lo strumento più preciso per descrivere il comportamento attuale e futuro dell'universo, anche se per comprendere le sue fasi iniziali sono necessarie teorie quantistiche e teorie sulle particelle elementari.