追加情報です．最初の gather が来る前にインライン数式や equation が入っているとエラーは出ないみたいです．
Fork\documentclass{article}
\usepackage{luatexja}
\usepackage{amsmath}
\begin{document}
$a$
\begin{gather}
a
\end{gather}
\end{document}
もう少し調査したところ，lltjdefs.sty の以下の行をコメントアウトするとエラーが出なくなりました．私には理由はよくわかりませんが……．
\DeclareSymbolFont{mincho}{JY3}{mc}{m}{n}
\jfam\symmincho
\SetSymbolFont{mincho}{bold}{JY3}{gt}{m}{n}
\DeclareSymbolFontAlphabet{\mathmc}{mincho}
\DeclareMathAlphabet{\mathgt}{JY3}{gt}{m}{n}
ほんとだ，確認しました．どうやら，\getanddefine@fontsの if文から抜け出せずにいるようです．数時間後に対処方法を考えてみます．
luatexja-core.sty 中に，次のようなコードがあります：
\def\ltj@@set@stackfont#1,#2:#3{%
{\directlua{tex.globaldefs=0}\ltj@curjfnt=-1 #2%
\global\ltj@tempcnta=\ltj@curjfnt}%
...}
ここに載せている部分は \jfont で定義された \tenmin 等の制御綴（これらの展開結果は「\ltj@curjfnt=xx\relax」）から，その xx の内容を取得するコードです．
しかし，この {...} が数式中では空の数式になってしまっています．
commit 03b1187 で直ったと思います．
修正を確認しました．ありがとうございます．
test07-math.tex に
アルファベットがなぜか出ない（Lua\TeX-ja非読み込み時でも）
とありますが，unicode-math では mathversion は使わずに \mathbf を使うのが標準みたいです． \setmathfont にオプションで [version=bold] の指定を渡すと \mathversion{bold} でも文字が出ます．
以下のソースでエラーが出ます．
\documentclass{article} \usepackage{luatexja} \usepackage{amsmath} \begin{document} \begin{gather} a \end{gather} \end{document}ログ:
! Improper \halign inside $$'s. \next@ ...skip \z@skip \global \row@ \@ne \halign to\displaywidth \bgroup \s... l.7 \end{gather} ?multline, align でも同種のエラーが出ます．